第277章 波尔纳球体（一）
李水旺新一期视频：
想像一个广阔的、可自我维持的棲息地
漂浮在太空深处，
整个社区可以在这里生活、工作
並在一个为他们的需求和
愿望量身定製的花园公园世界中蓬勃发展。**伯纳尔球体**是最早、最具標誌性的太空棲息地构想之一，由约翰·德斯蒙德·伯纳尔於1929年提出。
这个大胆的构想呈现了一个直径10英里、可自转的球形结构，能够在太空中容纳数千人。球体的自转將在其內壁產生人造重力，使居民能够在类地球环境中生活和工作，
並配备农业区、居住区
以及利用太阳能的能源系统。
伯纳尔球体为人类在地球之外定居提供了一套全面方案，解决了粮食生產、大气控制
和辐射防护等基本需求。
伯纳尔的构想为未来的太空建筑师和科幻创作者提供了灵感，展现了在太空建立永久宜居前哨的愿景。
它为后来更复杂的设计（如杰拉德·奥尼尔的太空棲息地）奠定了基础，
並影响了更广泛的太空殖民討论。
伯纳尔球体体现了人类文明向星辰拓展的雄心，
构想的不仅是生存，
更是在宇宙中繁荣发展的可能。
今天我们將探討它的设计、优缺点，
以及我们是否、何时应该建造一个。
不过我们或许应该先澄清一个常见的误解：
无论是在科学领域还是科幻作品中，
伯纳尔球体都不是第一个空间站设计。
谁拥有这一头衔很难说，
但爱德华·埃弗里特·黑尔1869年发表在《大西洋月刊》上的短篇小说《砖月亮》，
可以算作一个非常基础的空间站或人造卫星。
而常被称为科幻之父的雨果·根斯巴克，
则在1911年对轨道平台进行了简短但更具科学性的探討。
赫尔曼·奥伯特——与齐奥尔科夫斯基、戈达德並列的火箭学先驱之一——
在1923年的著作（德语译本名为《进入行星空间的火箭》）中进一步討论了它们的用途。
书中他探討了人类太空旅行的潜力，
以及將空间站作为行星际探索跳板的实际应用。
事实上，他还討论了利用离心力模擬重力的基本轮式设计，
这一设计后来被韦恩赫尔·冯·布劳恩拓展並推广为**冯·布劳恩太空轮**。
他也是第一个提出用太阳能为空间站生命保障系统供电的人，
並认为这类空间站可以作为飞船停靠、然后驶向更远航程的站点。
我们如今不太会把空间站看作补给站，
因为迄今为止我们现役或已退役的十几个空间站中，
没有一个承担过这一角色。
但我认为今天值得一提这一点，
因为儘管伯纳尔球体並非首个空间站设计，
但据我所知，它是第一个太空棲息地设计。
太空棲息地或许可以作为旅行者和贸易的中途站，
但其根本设计目的是供社区居住和生存。
我们更常討论**奥尼尔圆柱体**，
但实际上，圆柱体设计是奥尼尔的**三號岛**设计。
**一號岛**只是伯纳尔原始球体的更新、细化且略小的版本，
而**二號岛**则是对它的重新构想，
比球体更大、更细长。
这也是你最常看到的设计，
往往被称作伯纳尔球体，
儘管它与伯纳尔的原始设计大相逕庭。
今天我们將逐一介绍这三种设计：
伯纳尔的原始设计、一號岛、二號岛，
以及这一概念的其他一些实现方式。
多年来无数工程师研究过这一构想，
但伯纳尔本人在论述时並未深入太多细节。
它出现在他1920年的文章《世界、肉体与魔鬼》中，
这篇文章与1959年的同名末世电影无关。
其拉丁语版本《mundus, caro et diabolus》，
曾被圣托马斯·阿奎那列为诱惑的三大源头与灵魂的死敌。
你可能会好奇这和太空棲息地有什么关係，
答案是关係不大。
文本討论的內容从太空棲息地
到无线电力、赛博格、超人类主义
乃至蜂巢思维，
还夹杂著大量他的个人政治观点。
但在我看来，
关於伯纳尔球体的小节——也就是真正令人难忘的部分——
几乎像是喧宾夺主，
占据了整篇六节作品中第二节的大部分篇幅。
他本质上从谈论现代科学对粮食生產的进步与效率，
转向论述地球有限的陆地面积始终是增长的制约因素，
这里还隱约出现了**戴森球**的概念，
因为他指出太阳释放的阳光是地球接收量的20亿倍。
因此他明確將其描述为
旨在让更多人类生存的太空棲息地，
並认为我们应该建造许多这样的棲息地，
它拥有公民，而非仅仅是雇员。
在我看来，
这比空间站的细节本身更具革命性，
因为它承认：
即使太阳系所有其他行星都变得宜居，
能为人类增加的居住面积也十分有限，
而建造太空棲息地所能利用的能源与资源，
则要高出好几个数量级，
通常是一百万到十亿倍。
所以伯纳尔球体不只是探索新世界的中途站，
或新奇的游览之地，
而是未来大多数人可能生活的地方。
事实是他的设计並不算特別出色，
尤其是当你对太空有更多了解之后。
例如，他提出通过引力场效应探测危险的大型陨石，
或用气体射流、电子束將其汽化。
讽刺的是，
长期以来被认为在字面意义上最薄弱的环节，
是外部完全透明以让阳光射入。
他基本构想了一个水晶球般的雪花玻璃球。
这在现代科学中稍微更可行一些，
因为製造像钻石那样超强且透明的外壳已成为可能。
他把外层想像成细胞膜，
能量通过它进入，驱动外部机械层。
儘管这是一个直径10英里的球体，
伯纳尔假定只有內部8英里（13公里）是球形居住区，
面积为2011平方英里（521平方公里、50200公顷、129000英亩），
你可以用任意单位想像居住空间大小。
已经熟悉太空棲息地设计的人可能会好奇，
他为什么要让阳光从地面射入，
但这个结构並不会为了旋转重力而自转。
他实际上假定这些棲息地的优势在於没有恶劣天气和重力，
因此房屋也基本多余。
除了可能需要一些小型隔音隔间外，
他认为我们都会快乐地漂浮，
適应低重力环境。
直到20世纪60年代，
人们在太空中停留相当长时间后，
我们才知道零重力对健康有害，
而旋转式设计差不多就是在那时出现的。
我认为，
即便人们曾觉得失重可能不舒服，
也並未设想它会带来严重且短期的健康危害。
一旦这一点得到证实，
我们就看到了作为空间站版本的**冯·布劳恩太空轮**，
不久之后，
奥尼尔等人指出，
我们完全可以让伯纳尔球体旋转起来。
顺便说一下，
每3分钟自转一周，
就能在赤道处產生標准重力。
但重要的是，
原始伯纳尔球体並非旋转重力棲息地，
而旋转重力棲息地如今是四大著名类型之一，
其他三种分別是圆柱体、环形或圆环。
確切地说，
最初的伯纳尔球体就是我们常说的**气泡棲息地**或**自由漂浮棲息地**。
一旦我们把它改造成旋转重力站，
就需要进行一些重新设计。
首先，
没有理由让人们脚下的地面既是阳光射入处，
又每3分钟明暗交替一次，
除非將极点对准太阳，
让一半永远明亮、另一半永远黑暗。
但这会造成结构薄弱，
对一个现在承受巨大离心力的空间站来说並不理想。
极点的重力也非常低，
极点本身没有旋转，
所以离开赤道后重力会逐渐减小。
这在某些方面没问题，
虽然重力很实用，
但你可能希望睡眠时是1g，
工作时是半g，
而且很多生物可能能很好地適应这些区域。
例如，
你可能在低重力区种出很棒的树木。
你还需要让阳光射入的通道，
所以可以把球体的一个极点当作朝向太阳的窗口，
要么在夜间关闭窗口，
要么让棲息地绕另一根轴旋转，
不仅每3分钟自转一次產生重力，
还每24小时反向旋转一次形成昼夜。
这种结构也比单纯的圆柱体更坚固，
因为大型圆柱体的顶盖並非理想的工程设计。
这就是我们得到**二號岛**设计的原因，
它用更细长的蛋形结构取代了球体。
与球体相比，
这种设计的低重力区域占比很小，
而环形和圆柱体设计的旋转半径均匀，
因此重力均匀。
值得注意的是，
一號岛和二號岛都比伯纳尔球体小得多。
二號岛直径仅约1英里，而非10英里；
一號岛直径0.31英里（500米），
需要每分钟旋转约两次才能產生旋转重力，
这会令人眩晕，
除非它正对著太阳並保持居中，
就像太阳在白天遮蔽旋转的星星一样。
但和**斯坦福圆环**设计一样，
后来的伯纳尔球体概念通常会加入反射镜来引入阳光。
我们现在一般不认为伯纳尔球体是真正的球体，
而奥尼尔圆柱体也很少设计成平顶盖。
两者通常都採用半球形顶盖，
或略扁的顶盖。
蛋形棲息地与半球顶盖圆柱体之间的界限可能有些模糊。
沿轴线轻微改变半径，
可以通过製造上坡、下坡和气压变化，
辅助调节气候与地形。
標准球体显然更能做到这一点，
在旋转球体中，
只有约四分之三的表面积能获得超过赤道一半的重力，
仅三分之二的面积能获得赤道四分之三以上的重力。
我认为在旋转球形棲息地中，
我们可能会把重力提升到比地球高20%到30%，
以確保大部分区域的重力接近地球標准。
赤道处可能最终会形成河流、湖泊或海洋。
更高的重力不会影响浮力，
除非你刻意建造超出光线正常穿透深度的深海。
水下压力略微更快的上升影响不大。
所有这些压力和重力的变化，
应该能形成不错的气候循环，
这可能比单纯环形或圆柱体產生的更温和的气候更可取。
不过，
我得说我们只想要適度的气候变化。
但我们还有另一个问题：
旋转重力只指向旋转轴，
所以如果你站在球体上，
你会觉得头朝向中心、脚下地面平坦，
但实际上地面是球形弯曲的，
而重力只在赤道处与地面正確对齐。
这意味著在45度角位置，
重力不仅降至71%，
还与地面呈倾斜方向。
这也意味著，
不仅空气和水，
泥土和泥浆也会慢慢从极地流向赤道。
但这並非致命缺陷，
你可以建造许多分层平台，
每层围绕旋转轴呈平坦环形，
使重力方向正確。
我们可以假定每层代表重力降低1%，
从赤道河带开始，
在这种情况下，
河带宽约0.6英里（1公里）。
每层的垂直高度相同，
因为旋转重力与半径成正比。
在直径10英里（半径5英里）的空间站中，
每个半球设100层，
每层高度为264英尺（80米）。
这些环形层或环带的宽度並不相等，
后续层级的重力和陆地面积都在减小。
当重力仅降低1%时，
面积约为9.1平方英里（24平方公里）；
重力减半时，
层级面积降至约1.4平方英里（3.7平方公里）；
重力低於1%的区域仅0.16平方英里（0.41平方公里）。
我倾向於认为社区不会简单按这些环带划分，
但地址可能会。
我敢打赌环带数量会更多，
更可能相当於普通的一段楼梯。
所有这些下方都是土壤，
但即便气候有帮助，
高层级可能也会有许多小型湖泊和池塘，
地下需要主动抽水，
將水从中心环形河带输送到极地山区。
这里可能还会有壮观的瀑布，
要么是数百个小型瀑布层层跌落，
要么是一次跨越多个层级的大瀑布。
这些层级不必是平直的墙壁，
我们可以增加弧度，
让环形层与赤道的距离
或垂直高度在全程不完全一致。
你基本不会注意到地面有1度的重力偏差，
大多数甲板和阳台为了防止雨水积聚、融雪滴落，
通常都会有这样的坡度。
所以你可以设计出长而平缓的斜坡区域，
或更多、更短的层级，
比如想让鮭鱼等鱼类能够逆流而上。
你也不需要让水直接沿著轴线流动，
河流无论如何都会自然蜿蜒，
所以你可以通过让河流在正常陆地上曲折流动，
为结构中的河流设置更平缓的坡度。
想像一个广阔的、可自我维持的棲息地
漂浮在太空深处，
整个社区可以在这里生活、工作
並在一个为他们的需求和
愿望量身定製的花园公园世界中蓬勃发展。**伯纳尔球体**是最早、最具標誌性的太空棲息地构想之一，由约翰·德斯蒙德·伯纳尔於1929年提出。
这个大胆的构想呈现了一个直径10英里、可自转的球形结构，能够在太空中容纳数千人。球体的自转將在其內壁產生人造重力，使居民能够在类地球环境中生活和工作，
並配备农业区、居住区
以及利用太阳能的能源系统。
伯纳尔球体为人类在地球之外定居提供了一套全面方案，解决了粮食生產、大气控制
和辐射防护等基本需求。
伯纳尔的构想为未来的太空建筑师和科幻创作者提供了灵感，展现了在太空建立永久宜居前哨的愿景。
它为后来更复杂的设计（如杰拉德·奥尼尔的太空棲息地）奠定了基础，
並影响了更广泛的太空殖民討论。
伯纳尔球体体现了人类文明向星辰拓展的雄心，
构想的不仅是生存，
更是在宇宙中繁荣发展的可能。
今天我们將探討它的设计、优缺点，
以及我们是否、何时应该建造一个。
不过我们或许应该先澄清一个常见的误解：
无论是在科学领域还是科幻作品中，
伯纳尔球体都不是第一个空间站设计。
谁拥有这一头衔很难说，
但爱德华·埃弗里特·黑尔1869年发表在《大西洋月刊》上的短篇小说《砖月亮》，
可以算作一个非常基础的空间站或人造卫星。
而常被称为科幻之父的雨果·根斯巴克，
则在1911年对轨道平台进行了简短但更具科学性的探討。
赫尔曼·奥伯特——与齐奥尔科夫斯基、戈达德並列的火箭学先驱之一——
在1923年的著作（德语译本名为《进入行星空间的火箭》）中进一步討论了它们的用途。
书中他探討了人类太空旅行的潜力，
以及將空间站作为行星际探索跳板的实际应用。
事实上，他还討论了利用离心力模擬重力的基本轮式设计，
这一设计后来被韦恩赫尔·冯·布劳恩拓展並推广为**冯·布劳恩太空轮**。
他也是第一个提出用太阳能为空间站生命保障系统供电的人，
並认为这类空间站可以作为飞船停靠、然后驶向更远航程的站点。
我们如今不太会把空间站看作补给站，
因为迄今为止我们现役或已退役的十几个空间站中，
没有一个承担过这一角色。
但我认为今天值得一提这一点，
因为儘管伯纳尔球体並非首个空间站设计，
但据我所知，它是第一个太空棲息地设计。
太空棲息地或许可以作为旅行者和贸易的中途站，
但其根本设计目的是供社区居住和生存。
我们更常討论**奥尼尔圆柱体**，
但实际上，圆柱体设计是奥尼尔的**三號岛**设计。
**一號岛**只是伯纳尔原始球体的更新、细化且略小的版本，
而**二號岛**则是对它的重新构想，
比球体更大、更细长。
这也是你最常看到的设计，
往往被称作伯纳尔球体，
儘管它与伯纳尔的原始设计大相逕庭。
今天我们將逐一介绍这三种设计：
伯纳尔的原始设计、一號岛、二號岛，
以及这一概念的其他一些实现方式。
多年来无数工程师研究过这一构想，
但伯纳尔本人在论述时並未深入太多细节。
它出现在他1920年的文章《世界、肉体与魔鬼》中，
这篇文章与1959年的同名末世电影无关。
其拉丁语版本《mundus, caro et diabolus》，
曾被圣托马斯·阿奎那列为诱惑的三大源头与灵魂的死敌。
你可能会好奇这和太空棲息地有什么关係，
答案是关係不大。
文本討论的內容从太空棲息地
到无线电力、赛博格、超人类主义
乃至蜂巢思维，
还夹杂著大量他的个人政治观点。
但在我看来，
关於伯纳尔球体的小节——也就是真正令人难忘的部分——
几乎像是喧宾夺主，
占据了整篇六节作品中第二节的大部分篇幅。
他本质上从谈论现代科学对粮食生產的进步与效率，
转向论述地球有限的陆地面积始终是增长的制约因素，
这里还隱约出现了**戴森球**的概念，
因为他指出太阳释放的阳光是地球接收量的20亿倍。
因此他明確將其描述为
旨在让更多人类生存的太空棲息地，
並认为我们应该建造许多这样的棲息地，
它拥有公民，而非仅仅是雇员。
在我看来，
这比空间站的细节本身更具革命性，
因为它承认：
即使太阳系所有其他行星都变得宜居，
能为人类增加的居住面积也十分有限，
而建造太空棲息地所能利用的能源与资源，
则要高出好几个数量级，
通常是一百万到十亿倍。
所以伯纳尔球体不只是探索新世界的中途站，
或新奇的游览之地，
而是未来大多数人可能生活的地方。
事实是他的设计並不算特別出色，
尤其是当你对太空有更多了解之后。
例如，他提出通过引力场效应探测危险的大型陨石，
或用气体射流、电子束將其汽化。
讽刺的是，
长期以来被认为在字面意义上最薄弱的环节，
是外部完全透明以让阳光射入。
他基本构想了一个水晶球般的雪花玻璃球。
这在现代科学中稍微更可行一些，
因为製造像钻石那样超强且透明的外壳已成为可能。
他把外层想像成细胞膜，
能量通过它进入，驱动外部机械层。
儘管这是一个直径10英里的球体，
伯纳尔假定只有內部8英里（13公里）是球形居住区，
面积为2011平方英里（521平方公里、50200公顷、129000英亩），
你可以用任意单位想像居住空间大小。
已经熟悉太空棲息地设计的人可能会好奇，
他为什么要让阳光从地面射入，
但这个结构並不会为了旋转重力而自转。
他实际上假定这些棲息地的优势在於没有恶劣天气和重力，
因此房屋也基本多余。
除了可能需要一些小型隔音隔间外，
他认为我们都会快乐地漂浮，
適应低重力环境。
直到20世纪60年代，
人们在太空中停留相当长时间后，
我们才知道零重力对健康有害，
而旋转式设计差不多就是在那时出现的。
我认为，
即便人们曾觉得失重可能不舒服，
也並未设想它会带来严重且短期的健康危害。
一旦这一点得到证实，
我们就看到了作为空间站版本的**冯·布劳恩太空轮**，
不久之后，
奥尼尔等人指出，
我们完全可以让伯纳尔球体旋转起来。
顺便说一下，
每3分钟自转一周，
就能在赤道处產生標准重力。
但重要的是，
原始伯纳尔球体並非旋转重力棲息地，
而旋转重力棲息地如今是四大著名类型之一，
其他三种分別是圆柱体、环形或圆环。
確切地说，
最初的伯纳尔球体就是我们常说的**气泡棲息地**或**自由漂浮棲息地**。
一旦我们把它改造成旋转重力站，
就需要进行一些重新设计。
首先，
没有理由让人们脚下的地面既是阳光射入处，
又每3分钟明暗交替一次，
除非將极点对准太阳，
让一半永远明亮、另一半永远黑暗。
但这会造成结构薄弱，
对一个现在承受巨大离心力的空间站来说並不理想。
极点的重力也非常低，
极点本身没有旋转，
所以离开赤道后重力会逐渐减小。
这在某些方面没问题，
虽然重力很实用，
但你可能希望睡眠时是1g，
工作时是半g，
而且很多生物可能能很好地適应这些区域。
例如，
你可能在低重力区种出很棒的树木。
你还需要让阳光射入的通道，
所以可以把球体的一个极点当作朝向太阳的窗口，
要么在夜间关闭窗口，
要么让棲息地绕另一根轴旋转，
不仅每3分钟自转一次產生重力，
还每24小时反向旋转一次形成昼夜。
这种结构也比单纯的圆柱体更坚固，
因为大型圆柱体的顶盖並非理想的工程设计。
这就是我们得到**二號岛**设计的原因，
它用更细长的蛋形结构取代了球体。
与球体相比，
这种设计的低重力区域占比很小，
而环形和圆柱体设计的旋转半径均匀，
因此重力均匀。
值得注意的是，
一號岛和二號岛都比伯纳尔球体小得多。
二號岛直径仅约1英里，而非10英里；
一號岛直径0.31英里（500米），
需要每分钟旋转约两次才能產生旋转重力，
这会令人眩晕，
除非它正对著太阳並保持居中，
就像太阳在白天遮蔽旋转的星星一样。
但和**斯坦福圆环**设计一样，
后来的伯纳尔球体概念通常会加入反射镜来引入阳光。
我们现在一般不认为伯纳尔球体是真正的球体，
而奥尼尔圆柱体也很少设计成平顶盖。
两者通常都採用半球形顶盖，
或略扁的顶盖。
蛋形棲息地与半球顶盖圆柱体之间的界限可能有些模糊。
沿轴线轻微改变半径，
可以通过製造上坡、下坡和气压变化，
辅助调节气候与地形。
標准球体显然更能做到这一点，
在旋转球体中，
只有约四分之三的表面积能获得超过赤道一半的重力，
仅三分之二的面积能获得赤道四分之三以上的重力。
我认为在旋转球形棲息地中，
我们可能会把重力提升到比地球高20%到30%，
以確保大部分区域的重力接近地球標准。
赤道处可能最终会形成河流、湖泊或海洋。
更高的重力不会影响浮力，
除非你刻意建造超出光线正常穿透深度的深海。
水下压力略微更快的上升影响不大。
所有这些压力和重力的变化，
应该能形成不错的气候循环，
这可能比单纯环形或圆柱体產生的更温和的气候更可取。
不过，
我得说我们只想要適度的气候变化。
但我们还有另一个问题：
旋转重力只指向旋转轴，
所以如果你站在球体上，
你会觉得头朝向中心、脚下地面平坦，
但实际上地面是球形弯曲的，
而重力只在赤道处与地面正確对齐。
这意味著在45度角位置，
重力不仅降至71%，
还与地面呈倾斜方向。
这也意味著，
不仅空气和水，
泥土和泥浆也会慢慢从极地流向赤道。
但这並非致命缺陷，
你可以建造许多分层平台，
每层围绕旋转轴呈平坦环形，
使重力方向正確。
我们可以假定每层代表重力降低1%，
从赤道河带开始，
在这种情况下，
河带宽约0.6英里（1公里）。
每层的垂直高度相同，
因为旋转重力与半径成正比。
在直径10英里（半径5英里）的空间站中，
每个半球设100层，
每层高度为264英尺（80米）。
这些环形层或环带的宽度並不相等，
后续层级的重力和陆地面积都在减小。
当重力仅降低1%时，
面积约为9.1平方英里（24平方公里）；
重力减半时，
层级面积降至约1.4平方英里（3.7平方公里）；
重力低於1%的区域仅0.16平方英里（0.41平方公里）。
我倾向於认为社区不会简单按这些环带划分，
但地址可能会。
我敢打赌环带数量会更多，
更可能相当於普通的一段楼梯。
所有这些下方都是土壤，
但即便气候有帮助，
高层级可能也会有许多小型湖泊和池塘，
地下需要主动抽水，
將水从中心环形河带输送到极地山区。
这里可能还会有壮观的瀑布，
要么是数百个小型瀑布层层跌落，
要么是一次跨越多个层级的大瀑布。
这些层级不必是平直的墙壁，
我们可以增加弧度，
让环形层与赤道的距离
或垂直高度在全程不完全一致。
你基本不会注意到地面有1度的重力偏差，
大多数甲板和阳台为了防止雨水积聚、融雪滴落，
通常都会有这样的坡度。
所以你可以设计出长而平缓的斜坡区域，
或更多、更短的层级，
比如想让鮭鱼等鱼类能够逆流而上。
你也不需要让水直接沿著轴线流动，
河流无论如何都会自然蜿蜒，
所以你可以通过让河流在正常陆地上曲折流动，
为结构中的河流设置更平缓的坡度。