环形世界新考

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  圆环形状的世界是科幻史上相当经典的构想。无论是拉里·尼文想象中能围绕一颗恒星的上帝工程,还是像电影《极乐空间》里那样在地球轨道上建造一个方寸大小的天上人间,原理都是一样的:环形世界的自转就像滚筒洗衣机一样,把里面的所有东西甩向它的内壁,世界自转的向心力就相当于人造重力,只要世界的半径和转速合适,完全可以让住在环形世界内壁的人有和地球上一样脚踏实地的感觉。也就是说,在一间小屋子里,你几乎没有办法区分自己生活的世界是哪一种样子。
  王腾,90后新人科幻作者,未来局签约作者,应用数学专业毕业。作品核心坚实、注重逻辑,目前的作品有《距离的形状》 《夏日往事》等。
  我们的祖先也是在走出了小屋子,乃至走出了自己的大陆之后,才渐渐明白自己是生活在圆圆的地球上的。那么一个诞生在环形世界的文明要走多远才能发现自己生活在怎样的世界呢?
  你可能会想,如果世界真是个大滚筒,那么走出门不就能看到远处的海向天空卷起了吗?不过这也很难说,因为如果世界足够大的话,那么在陆地上还是可能会看到海平线的,因为大陆的万有引力说不定足以把周围的海面变成一个缓坡。而走得足够远的航海家,会看到海面向天空卷起,那样的话,他们或许会认为世界是一个大碗,而大陆在碗底。那么,在环游世界还遥不可及的时代,住在这个世界上的人们是否还有别的线索能得知世界的形状呢?
  当登山者攀登一座很高的山时,他会发现自己越变越轻,盆里水面的波动也变得越来越柔和,如果仔细记录就会发现,这样的变化和海拔高度成正比。让我们回想一下中学学过的圆周运动模型,圆周运动的向心加速度,也就是这个世界的“重力加速度”,它的大小等于自转角速度平方乘以圆周半径,所以说到达的高度越高,离圆心越近,半径就越小,感受到的“重力”就会越小。我们可以想象一下,他们的科学界对重力存在的原因一定也有很多假说。在这之中也一定会有人将这一切联系起来,他们终将意识到世界真正的形状,即使还远远不能亲眼看见。或许这一切就像在我们的世界一样,思想总会比脚步走得更远。
  让我们再把目光投向一位指挥海战的军官。战局很不乐观,制海权在对方手里,在苦苦寻求突围的时候,他留意到了一个奇特的现象,敌军发射的迫击炮弹轨迹总是有一个微弱的偏离,但落地点却又没有什么误差,细心的军官很快就会发现这和风力无关,绝不是偶然现象。
  在地球上有一种被称为“地转偏向力”的现象,也称为科里奥利效应,这会导致北半球运动的物体向右偏移而南半球向左偏移。其实道理很简单,如果你从一个正在旋转的圆盘中心走向外围,由于圆盘各部分线速度不一样,以圆盘这个旋转体为参照系,就会观察到你偏离原有方向,仿佛受到外力作用。和惯性力、离心力一样,实际上这个力并不存在,只是惯性作用在非惯性系的体现,但我们可以引入这个虚拟的力来方便我们思考。
  环形世界的自转轴平行于地面,这和我们站在地球上的情况不同,所以科里奥利效应会体现在另一个方向,地球上的台风以及各种气旋的形成都和科里奥利效应有密切关系,那么在环形世界里,人们有可能会看到旋转面垂直于地面的台风,仿佛天空中一只巨大的独眼,那个场面想必是相当震撼的。
  来往于大陆之间的海上行商会恼火于他们的单摆挂钟总是不守时,但来检修的钟表匠却发现不了任何问题。钟表匠偶然发现时钟的误差很有规律:当船往一个方向行驶,时钟会变快,另一边则会变慢,这说明误差不是钟本身的问题,而一定是来自于外界。
  单摆的周期显然与摆长和重力相关,其实不需要实验,用量纲分析法就能明白单摆做简谐运动的周期跟摆长的平方根成正比,跟重力加速度的平方根成反比,和振幅、摆球质量无关。世界的“重力加速度”也可以表示为线速度平方与半径的比。那么,当船向自转方向行驶时,当然会有比世界自转线速度更大的速度,那么船受到的“重力”就会變大,这就会导致单摆周期变小,时钟变快,反之亦然。
  看来无论生活在怎样的世界,它的底牌总是不轻易示人。巨眼一样的台风,诡异地偏离目标的炮弹,时钟竟然会被船速影响,这种种奇观或许在很长时间内都会被人们看成神迹,但是也注定会最终被理解。当科学发展到量化时代后,所有这些现象都可以准确告诉人们世界的形状、大小,以及转速,这一切当然不会仅仅用来满足人们的好奇心,也一定会对这个世界的社会历史带来更深远的影响,这些都是很有趣的想象。
  知道了世界的形状,那么世界会有多大呢?其实一个更有意义的问题是——这个世界最小能有多小?
  《极乐空间》展示了一个非常美丽的环形世界,它极为精致却也绝对能称为“世界”,人们看到的是真实的天空,飞船可以直接从太空飞进来而不需通过任何障碍,换句话说,这个太空城的居住区是开放的。
  这种设计粗看好像可行,自转的人造重力也像滚筒洗衣机那样把空气甩在内壁上不至于跑掉,从而制造开放却不流失的大气层。
  但是,要想让人类正常生存,只有空气是不行的,必须要有合适的大气压才行。要维持住大气,环形世界边缘也得造起高墙,那么这堵高墙要多高,才能让世界有正常的大气压?
  如果我们把空气当作均质大气(大气密度始终不变),同时假设世界半径大到可以一定程度上把重力作为常数,那样的话,气压为零的高度显然就是大气层上界,也就是墙的高度。通过一个微分方程,我们可以计算出气压和高度成反比,再把地面初始条件(地表大气压)代入,就会知道围墙至少8000米高才能留住这样的大气。
  8000米虽然夸张,但相对于建造一个世界并非难以接受,但事实真能这么简单吗?
  问题就在于,真正的空气并不是均质大气,空气密度与温度、湿度、压强都存在确定的关系,这样的话,就可以计算真正的压高公式,这个方程解出来,大气层至少也得40多千米高。考虑到“重力”也随高度变化,围墙高度更是难以想象。所以,如果要让环形世界有真正的蓝天白云,恐怕就真是要像拉里尼文描写的上帝工程那样了。   虽然把大气当作均质大气是不行的,但是我们刚才的假设没有白费,因为海洋环境和“均质大气”的假设非常类似,海水的密度虽然也和压强、温度有关,但相比于气体,几乎可以忽略。
  在我们的地球上,浮力和水深几乎没有关系,往水里扔一个东西,要沉就一定会沉到水底,这是因为浮力的本质是水在不同深度压力差导致的,因为水压和水深成正比,压力差自然和深度没什么关系。
  但是在环形世界,尤其是半径不大的话,重力就不再是常数了,重力本身和水深也有关系,这样压强和水深就不再是线性关系,换句话说,浮力的大小将会随着深度发生变化。你向水里扔一块石头,它不一定会沉底,而是有可能悬浮在某一个深度上。
  这个事实有怎样的意义?让我们重新去思考环形世界发生的海战,失去制海权、处于弱势的国家和强大的敌国相隔一条海峡,如果想要扭转战局,要么正面消灭包围自己的敌军舰队——而这显然是以卵击石——或者,可以奇袭敌国军港。
  弱国只有一个优势,他们知道世界形状这个情报,那么或许他们可以利用这点,开发这样一种奇妙的武器打破僵局。
  它看上去和我们熟悉的水雷没什么区别,但是它可以通过打开空腔进水和抛弃自己的金属小球来增加和减轻自重。
  从这里到敌国港口的海域有很多障碍物,还要避免被敌军舰队提前发现。既然知道了世界的物理模型,那就可以算出水深和浮力的关系,换句话说,这种水雷在不同的自重下,会稳定悬浮在不同的水深。
  这种水雷可以有简单的动力系统——比如发条、压缩气体,如果洋流合适的话也可以没有,工程师可以设计内部的机关,使得它在潜航过程中的合适时间调节自重,这样就等于在合适的地点调节自己的所处深度,从而避开航线上的障碍物和敌军侦查,直到抵达敌军港口。就这样,弱国的军事工程师在这个时代,就已经发明了具备弹道制导功能的武器。我们可以称为——浮力制導炸弹。
  浮力制导炸弹的引爆方式可以由水压和时间这两个要素来触发,这样的话,工程师同样要了解世界的大小和转速,从而知道水深和水压的确定关系,如此就能让炸弹在设计好的深度引爆,更有效毁灭不同的敌军目标。炸弹潜航到敌军军港后,时间恰好触发最后机关——直接抛弃所有金属配重小球,炸弹迅速上浮,从底部将敌军停泊在军港的军舰全部摧毁。
  在科技不发达的时代,这样的做法就像日本二战时的气球炸弹一样,后者是世界上第一种洲际攻击武器,它们自然做不到有多么精确,但是只要有一定数量,仍然可以达到战术目的,而且这样的武器问世,势必也要让强大的敌国消耗额外的资源重新构想反制手段,从而为弱势的一方赢得宝贵的喘息时间。
  现在,你还认为世界的真相仅仅是满足人们的好奇心吗?
  我们的世界并不是一个光光的圆球,而是存在地理的差异:有些地方有资源,有些地方是战略要冲,有些肥沃,有些贫瘠。也可以说,正是这些不平衡让人类的历史不是一潭死水,权谋、战争、革命轮番上演,把我们的史书装点得波澜壮阔又血迹斑斑。
  而在环形世界,地理造就的不平衡同样存在,他们的历史同样不会顺风顺水。我们能想到的最直接的不平衡就是重力。
  我们把环形世界离圆心的距离叫作“纬度”,显然纬度越高重力越低,如果环形世界的地表也不是一马平川,而是有高原和低谷的起伏的话,那就会有截然不同的、以重力来划分的地理差异。
  这样的世界会上演怎样的故事?我们大可以天马行空地去想象。如果环形世界上不仅仅有人这一个种族呢?假设有个种族叫高岭巨人,他们只能生活在高原上,因为平原和低谷的高重力会让他们沉重的身体举步维艰。如果他们也像《进击的巨人》里那样是人类的天敌,那么生活在他们巨大阴影下的人类,恐怕不是躲在高墙里遥望远方的广阔天地,而是只能困在一个封闭的盆地或低谷里坐井观天。
  在这样的境况下,“自由”会不会比我们想象的更具吸引力?因为井口以外不仅有从未见过的世界,还能让你摆脱重力的拖累,在广阔的天地用轻盈的脚步尽情奔跑。为了这个遥远又触手可及的梦想,也许这个世界也会有自己的调查军团;也会有为人类未来而献出心脏的誓言;也会有更加壮烈与辉煌的为自由而战的传奇故事。
  或许在地底的更深处,重力更高的地方,生活着比我们更小的人。就像《借物少女阿利埃蒂》那样,他们长得太小,散热过快,无法适应地表的温度变化,仅仅是地表的低重力和季节温差就会给他们带来无数挑战。因此,我们习以为常的环境,在他们的眼中却是一片极为广阔的未知新世界,充满着无数激动人心的冒险,这些同样也是无比精彩而又幸福的想象。
  即使只有人类,也不可能在这个世界里一下就实现世界大同。想想看在我们的世界里,划分社会阶级的要素是什么?答案很简单——对稀缺资源的占有。
  在环形世界,高纬度地区显然要比低纬度地区要少,而“最适重力”就成了稀缺资源。那样的话,富人占据舒适的高原,享受着轻巧的身体和更不费力的劳动。而再往后,科技的发展恐怕还会增大这种差距。低重力下的医疗、交通等都会有更加明显的优势。不同纬度的生产效率、财富积累速度都截然不同,这些都必然埋下阶级对立的种子。
  到了科技更发达的时代,人们建造联通环形世界直径的工程,从地面上看它就像一座通天高塔。那时,也许就可以不受制于地理条件,而是在各种纬度建造真正的天空之城,那样的话,社会就区分的更加明显,不同的纬度因为不同的重力而有不同的地价,社会的财富划分只要看你住在哪个纬度就会一目了然……这么想下去的话,看来生活在这样世界里的人们,也免不了有像我们一样的烦恼。
  也许会有一天,环形世界上的人们和我们见面了。也许我们都会很惊讶于我们各自的历史是如此不同,却也如此相似;我们都有对世界真相曲折而漫长的求索,在迷雾中努力建起理性的殿堂;都有对自由的渴望和抗争,有着闪耀着人类精神的传奇故事;同样也都有着敌对、贪婪和互相的掠夺,同样的人性在截然不同的世界里,演绎了各自的轨迹。我们在不同的摇篮里开始自己的历史,也会最终远远地回望自己的摇篮,然后走向更远的地方。当我们走得足够远时,也许会觉得,人类的渺小是如此幸运,因为只有这样,才能拥有如此多激动人心的发现,有如此多精彩的故事。
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