让你做短视频，你科普黑暗森林 - 第273章 地球化改造（三）

    保罗·伯奇曾计算过，这种降温过程仅需数百年。我们还可以在行星最低温与最高温区域之间建造冷却塔，加速降温。比如漂浮城市可以等待地表大气温度降低后，建造太空喷泉托起建筑，同时將热量更快地排出金星。
    在为行星降温的同时，我们可以从大气中提取氮，引入水或氢来製造水。数百年后，用覆盖层盖住冻结的乾冰海洋，再移除部分太阳盾，让温度回升至地球標准。
    为金星创造与地球相同的自转周期是另一个难题，我们稍后会再探討。
    首先，我们简单聊聊大气不足的星球，比如火星和月球。我之前提到过，人们常常错误地认为这些星球因体积太小而无法留住大气。这一观点有一定道理，但並非人们所想的那样。
    任何气体在特定温度下，都有对应的分子平均运动速度，这个速度被称为方均根速率。屏幕上的公式可以计算该速率，表格展示了地球標准温度下，各种常见气体的方均根速率。
    请注意，温度单位为开尔文，速度与温度的平方根成正比。也就是说，若想让速度翻倍，温度需要变为原来的4倍。人类生存的温度约为300开尔文，4倍即为1200开尔文，比金星和水星的温度还要高。即便速度翻倍，大多数气体的运动速度仍低於月球的逃逸速度（仅为地球的五分之一多）。
    当然，並非所有粒子的运动速度都相同，部分粒子速度会更快，遵循玻尔兹曼分布曲线，这种逃逸方式被称为**热逃逸**。在任何时刻，都有极小部分气体（约百万分之一）的运动速度是正常速度的4倍。这意味著，地球每年会因热逃逸损失约10万吨气体，几乎全部是氢和氦。
    行星温度越低（如火星），气体逃逸量越少；逃逸速度越低（如火星），气体逃逸量越多。儘管10万吨每年听起来数量庞大，但地球大气质量是这个数字的500亿倍。即便火星、月球这类星球，通过热逃逸损失大气也需要地质时间尺度。
    但这並非大气逃逸的唯一方式，我们已知另外两种：气体被岩石吸收（封存作用），或是被核爆、彗星和小行星撞击吹散。
    还有一种更主要的逃逸方式：气体粒子被辐射撞击，直接脱离大气。想像一颗氦原子在行星上层大气游荡，被伽马射线、x射线等高能光子击中，会瞬间吸收光子的全部动量。
    如果这颗氦原子位於行星的晨昏线，且行星正远离太阳自转，它会额外获得行星自转的动量——就像我们从西向东发射火箭，藉助地球自转进入轨道一样。
    如果氦原子本身正向该方向运动，同时获得行星自转和光子的动量，其总能量与动量足以让它飞入太空。这种方式造成的大气逃逸量，远大於热逃逸。
    这也是我们常说磁场对行星宜居性至关重要的原因：不仅是未被大气和磁场过滤的太阳辐射对生命有害，还因为没有磁场阻挡高能粒子，更多粒子会被撞离大气；磁场还能將氢、氮、氧等带电粒子偏转回大气。
    其中还有更多细节，比如金星几乎没有磁场，温度远高於地球，却拥有稠密大气。
    无论如何，任何逃逸速度达到数千米每秒的行星、卫星，只要能屏蔽高能粒子和辐射，就能在人类时间尺度內长期留住大气。屏蔽磁场的方式有很多，我们后续也会讲到。
    你偶尔会听到有人提议，让火星內核重新旋转以產生足够的磁场。这在理论上可行，但远比向深井投掷核弹困难得多。如果你看过电影《地心抢险记》，片中地球內核停止旋转，主角团队深入地心重启內核，请完全忽略片中所有所谓的科学设定。说实话，我在一些50年代的老科幻电影里，都见过更靠谱的科学设定，比如《指挥官科迪》系列中，角色不穿太空衣在月球行走，或是乘坐外壳滚动的火箭起飞。
    当然，我们可以投放数百万枚核弹，重新加热並旋转行星內核，但在此期间，人类无法在行星上生存——物体受热会膨胀，由此引发的地震，会让地球的大型地震看起来像轻微震动，且这种地震可能持续数百年。
    因此，更可行的方案是採用人工方式：围绕行星建造太阳能卫星环，產生磁场。这比熔化行星內核数万亿吨的铁镍，更节能高效。
    同样，就像太阳盾一样，我们可以在行星与太阳的拉格朗日l1点放置磁偏转器，阻挡太阳风。另一种方案是直接用物质阻挡辐射，就像在行星上建造厚重穹顶一样，我们可以在行星轨道或拉格朗日点，部署多层超薄材料屏障。
    这些方案都需要维护和部件更换，但质量远小於行星內核，且很多行星本身拥有小型卫星，可小心粉碎后製造这类屏障。
    超导磁体在太空中更容易维持运行，隨著技术进步与成本降低，人工磁场会成为更可行的选择。我们已经在研究这类防护系统，比如用於星际飞船的系缆磁盾设计，既能提供辐射防护，又能產生人工旋转重力。
    如果你看过轨道环相关，就会知道围绕行星建造巨型超导环是可行的，至少比重启行星內核容易得多，也能为月球这类自身无法產生足够磁场的星球提供防护。
    这一方案也適用於金星，儘管金星整个星球（不仅是內核）都处於熔融状態，但因自转周期过长，几乎没有磁场。水星的地球化改造也是同理：距离太阳极近、质量比火星还小、自转周期长达数月，但同样可以进行地球化改造。
    我们可以为水星建造太阳盾、人工磁场，用轨道镜反射光照，避免昼夜长达数月。在水星建造基地並不困难：在没有大气传导热量的区域，將基地架在导热性差的坚固支柱上，再用闪亮的金属伞遮挡阳光，我有时称之为“蘑菇棲息地”。
    水星的表面重力与火星几乎相同——儘管水星体积更小，但密度更高，因为大部分轻元素都已被蒸发。因此，水星本地无法获取水和大气。
    我们尚不清楚火星和水星的表面重力，长期来看是否適合人类生存，大概率是可以的。但正如我之前提到的，我们可以建造旋转基地，结合自然重力和旋转重力，获得更舒適的重力环境。
    既然基地已经架在支柱上、有遮阳伞，在几乎没有大气的环境中旋转基地，难度並不大。我们也可以通过在拉格朗日点放置太阳盾，让行星冷却数十年。
    大多数太阳系扩张构想，最终都会將行星开採殆尽，用於建造人工棲息地，因此我通常不会过多思考这类星球的地球化改造。但即便如此，拆解行星也至少需要数千年，所以在利用水星阳光提取矿物用於出口时，建造支柱支撑的蘑菇基地是非常合理的选择。
    即便效率最大化，完成这一过程也需要数千年，即便是水星这样重力和质量更小、光照和能源更充足的星球也是如此。
    我们还谈到了自转周期，大多数行星的自转周期都不符合人类习惯。火星的自转周期与地球几乎一致，但金星和水星则完全不同，木卫三、木卫二、月球等大型卫星，自转一周需要数天甚至数周。
    我们在宜居行星系列討论过拥有地球类自转周期的卫星案例，但大多数卫星的自转周期並非一天，质量也与地球不同。
    如果行星自转周期不符合要求，该如何创造24小时的昼夜？我们提到过镜面，通过组合使用轨道镜和遮光板，可以人为製造24小时昼夜（仅改变光照周期，而非行星实际自转速度）。
    这一工程规模庞大且复杂，但远比重启行星內核简单。儘管如此，它仍可实现。我们无需藉助超级科学，就能改变行星的自转速度。
    这並非易事，但在某些方面，比重启行星內核製造磁场更容易。如果行星自转过快（地球早期的自转周期曾为12小时），我们甚至可以在减缓自转的同时，收集能量用於地球化改造。
    地球当前的自转动能约为2x102?焦耳，这是一个极其庞大的能量——相当於太阳照射地球30年的总能量。这也告诉我们，仅依靠太阳能完成这一工程需要多久，或是需要多长时间，才能避免向行星投放过多能量导致熔化。
    改变行星自转的能耗，与重启行星內核產生磁场的能耗大致相当。
    该如何实现呢？我们可以在行星上安装火箭推进器，或是引爆数百万枚核弹，但更好的方案是建造巨型高塔穿透大气，將轨道镜对准高塔（类似大型水车），或是將轨道镜对准行星边缘，利用能量同时从土壤中提取大气。
    这一过程需要漫长时间，但这无关紧要，因为改变行星自转速度必须缓慢进行，让星球物质有时间稳定。减速的原理相同，且还能收自转能量。
    行星自转並非最易获取的能源，但我们不应浪费。
    调整行星公转周期的原理类似，但改变公转周期，同时会改变行星接收的光照量。需要注意的是，地球绕太阳的公转动能，约为自转动能的1万倍。
    拋开能源问题不谈，在数百万年內以非破坏性方式改变公转周期，难度极大。通常我们会使用**引力牵引器**：將月球这类天体置於行星轨道，当它位於太阳另一侧时，將其推离行星；当它靠近太阳时，將其拉回行星。这样能在保持天体相对位置不变的同时，推动行星远离太阳，反向操作则可让行星靠近太阳。
    我们可以用巨型太阳帆接收光照实现这一操作，但帆体不能太薄，也不能一次性接收过多能量，否则会飞离。这与我在巨型建筑、《戴森球困境》中提到的，用於移动行星、恆星甚至星系的夏洛克推进器原理相同。这並非超级科学范畴，只是需要蛮力推进，就像一下午用石头在小溪堆出小水潭，与建造中国长城的区別：原理相同，但时间和精力投入天差地別。
    关键在於，即便拥有无限能源，也不能过快移动行星，否则会將行星加热。普通行星的公转动能，与汽化行星所需能量处於同一量级，因此不能一次性施加全部能量。
    另一方面，由於能耗与汽化行星相当，有人会指出，將整个行星改造成数万亿个轨道棲息地，获得的宜居面积是行星本身的数百万倍，这显然更合理。
    地球的自转动能相当於太阳照射地球30年的能量，公转动能则相当於约50万年的光照。这类过程消耗的能量，大部分会转化为热量。因此，若不想烤焦行星，即便有能力加速，也必须极其缓慢地推进。
    毫无疑问，使用轨道镜或遮光板模擬效果，永远会更快、更简便。因此，移动行星或许只有一种场景会实施：隨著恆星老化升温，將行星缓慢推离恆星，这一过程需要数十亿年，我们也理应这么做。
    行星自转轴倾角也可以用类似方式调整，更接近改变自转周期，而非公转周期。原理相同：利用引力牵引器或其他方式，耗时漫长、依靠蛮力，但可以实现。
    重力则更难调整：如果不適应行星的重力，只能通过增减质量改变。如果重力低於地球標准，可以建造旋转棲息地，结合自然重力和旋转重力；如果重力高於地球標准，唯一的方法是在城市上空悬掛超高密度物质（如钨、中子星物质），局部抵消重力。
    这並非完全不可行，但生活在数亿吨物质下方，人们可能会感到不安。反过来说，如果你住在摩天大楼低层，头顶也有数千吨物质，几千吨、几亿吨、一万亿吨的物质坠落，结果都是致命的。
    重力也很难通过生物改造適应：低重力可能问题不大，但高重力会带来极大风险，在高重力星球洗澡时滑倒，都可能摔断全身骨头。
    我们在质量投射器和发射环中討论过，质量投射器运送人类的最大限制，是人类无法承受过高的加速度。根据爱因斯坦的等效原理，加速度与重力等价。
    因此，除非发明科幻作品中常见的人工重力（主要是为了方便拍摄零重力场景），重力远高於地球的星球並不適合地球化改造，即便准地球化改造也不现实——除非你愿意將意识转移到鈦合金骨骼的机械躯体中，公平地说，很多人可能会接受这一方案。
    但我通常会聚焦於无需机械改造或大量基因调整的方案，儘管我本人本质上是超人类主义者或外推主义者。
    关键在於，如果我们掌握了製造或抵消重力的技术，就像掌握虫洞、永动机一样，整个研究格局会彻底改变，我认为没有必要再进行分析。如果我们能找到开启平行无人宇宙的通道，那么除了科学研究或荣誉性探索（如攀登珠穆朗玛峰）之外，所有太空探索都失去了意义——我们多次攀登珠峰，却从未在那里建造城市。