编者按：没想到有一天，要证明自己生活在地球上，就像证明自己不是缸中的脑花一样困难。
这里日光强烈，水波温柔，东风持续吹拂，黑暗与光明每24小时交替一次，表面积、重力、磁场等参数和地球相差无几……刘洋老师在太空中造了这样一个筒，但由于造得太像地球，连他自己也开始怀疑，我们依旧住在原处，还是一个《与拉玛相会》和《极乐空间》里那种缓缓自转的滚筒状太空站？
快，叫辆出租告诉师傅“去世界尽头”，看会不会撞上一条隔离带，上书大字：脱水中，请勿开盖。
筒中的世界
作者 | 刘洋
迟早有一天，太阳会走到它作为一颗恒星的生命尽头，短暂的爆发后，变成一颗红巨星。爆发的过程会把整个地球轨道淹没在其中，彻底摧毁这个星球上那让人类赖以生存的生态环境。不过那是很久以后的事情了，在这之前，或许人类本身就会把整个地球搞得一团糟，以至于不得不离开地球另谋出路。刘慈欣在《流浪地球》里设想将整个地球作为一艘巨大的飞船，推动着离开太阳系，但或许我们有另一个更为讨巧的方法：既可以构造出一个和地球同等大小的生态圈，又可以极大地减少推动这个生态系统进行宇宙旅行所需的能量。
那就是构造一个巨大的滚筒状的太空站，类似克拉克笔下的拉玛系列飞船那样，但我们的太空站要比拉玛号大得多。这个太空站的圆筒半径与地球相等，长度与地球的直径一致，这样构造出的圆筒状太空站，其内表面面积（两个圆形顶部除外）就等于地球的表面积——这保证了整个生态圈具有足够的复杂度而不会在短期内陷入崩溃的境地。
太空站绕着圆筒的轴线旋转，从而在圆筒内壁上构造出与地球相等的人造重力。筒壁转动的线速度为第一宇宙速度7.9km/s，转动周期约为84分钟。只要保持这个转速，在筒壁上随着其一起转动的所有物体都将受到一个与地球的重力加速度相等的向心加速度，感觉上就像仍处于地球的引力圈中一样。太空站的外壁上均匀地分布着众多切向推进系统，当太空站的转速与上面的值发生偏离时，从传感器上传来的修正信号会将其激活，从而及时地对太空站的转速进行调整。
另一个与拉玛飞船不同的是，我们的太空站事实上是由内外两层圆筒组成的。人类生活在外面那层圆筒的内壁上，如果他们抬头向“上”看去，他们不会看到处于圆筒另一侧的“地面”，而是会看到“天空”——那是一个半径小于外筒的圆柱状滚筒。在内筒表面的一半区域，分布着模拟阳光的照明系统，在另一半区域则是黑暗的，以模拟黑夜下的环境状态。内筒与外筒沿着同一个方向进行旋转，但比外筒的转速略慢——具体来说，它的转速使得在24小时内，外筒刚好比内筒多转了一圈。这样，处于外筒内壁的人类会在24小时内经历一个昼夜，以符合原来在地球上形成的生物钟。
因此，在太空站上，外面的那个圆筒层通常被称为“地壳”，它的内表面就是人类所生活的大地，而内层的圆筒则被称为“天壳”，它构成了人们目力所及的天空。两个壳层间的距离大约为20km，其中充满了空气，气体总量和地球的大气圈大致相当。
在这个太空站里，除了重力和昼夜之外，我们还可以模拟出大部分在地球上存在的地理特征。比如，在这个新世界里，仍然有“地磁场”存在。那是因为在宇宙辐射等因素的影响下，太空站的壳会无可避免地带上静电，再加上内外壳层均在不同转速的旋转之中，这样在壳层间的区域内便会形成一个与圆柱的轴向平行的、强度均匀的磁场。如果我们仿照地球上的称谓，根据磁场的方向，我们就可以把圆筒的一端叫做南极，另一端叫做北极——但是没有极点的存在，因为磁场线并不会汇聚在圆筒尽头处的某个点上。
如果我们调节人造日光的强度，让南北两极处的光照弱于圆筒中部的光照强度，那么我们就可以模拟出寒带、温带和热带等各种气候带：在圆筒两侧的是寒带，往内依次为温带和热带，圆筒的中线处为赤道。这样，人们就可以根据原来在地球上的居住地，选择适合自己居住的气候带。
气候带间的温差也带来了大气循环：在接近“天壳”的高空中，大气从赤道往两极处移动，而在地面上，大气则从两极高压带向赤道低压带移动。当然，除了南北方向具有空气流动的特征外，在东西方向（即垂直于圆筒轴线的方向）上也存在着空气相对于“地壳”移动的现象。因为“天壳”和“地壳”的转速不同，根据牛顿粘性定律，在两个壳层间的空气，可以看作是许多平行移动的空气层，其各层流速不同，越接近地壳，空气流速越快。以在地壳上生活的人类的角度来看，空气是从东方向西方移动，也就是说终年都有着永不停歇的东风在吹着。因此，综合来看，在新世界的北部（赤道以北），其主要的风向为东南风；在新世界的南部，其主要的风向为东北风。
可以看到，在整个新世界里，人们所感受到的环境几乎和地球完全一致，因此，可以认为，人们的生活方式和社会组织形式，在从地球上迁移过来之后，应该也不会发生太大的变化。“地壳”上仍然有与地球上轮廓接近的大陆和海洋，国家和城市的分布也大致相同。在城市之间，高铁是人们主要的交通工具。当然，如果你要进行长途旅行，比如从中国到美国，或者说从地壳的一侧移动到对面的另一侧，则需要依靠一种替代了飞机的新型交通工具——“天梯”。
从地壳上看去，天梯是一座座高耸入云的高塔。它们实际上是一些贯通了整个太空站的超长电梯，其最大长度即为圆筒的直径（12800公里）。人们乘坐天梯，从地壳往上，穿过大气层，再穿过天壳层，进入到位于内壳中部的宇宙真空区域，之后在另一侧重新穿越天壳层，回到生活区域，整个过程大致需要两个小时。在旅程的前半部分，随着电梯的上升，人们感受到的重力会逐渐减小，并在圆筒的轴心处经历完全失重的状态。因此，整个过程中——特别是在旅程中段——乘客必须系好安全带，以便将身体固定在座位上。在后半程则刚好相反，“重力”会越来越大，而且方向和之前相反。因此，在后半程开始时，电梯会在上下方向上掉个头，否则乘客就将头朝下到站了。
讨论至此，我们发现，除了天梯略微超出现代人的经验以外，在太空站上的生活竟然没有什么新鲜和奇特的体验。那么，如果我们瞒着某个地球人，把他隐秘地带到太空站上，他能否迅速地发现自己已经不在地球上了呢？这一点恐怕很难。
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在地球上，观察海平面尽头处的帆船，它总是先露出桅杆的顶端，这是大地具有弧度的一个早期证据。可是如果在太空站上，向着海平面望去，其尽头处会向天空的方向延伸，最后与天空连为一体。如果有帆船从远方驶来，我们将首先在海天相接处发现它浸没在水中的船壳，然后再逐渐往上，慢慢看到它的甲板和甲板上的桅杆。可是，这种方法需要我们能够看到极为遥远的区域，如果你在普通的生活区里，恐怕很难做到这一点。
另外，从理论上讲，在这样的圆筒状太空站里，当你沿着或逆着其转动方向以相同速度运动时，你所感受到的重力是不同的。当你沿着转动方向运动时，“重力”会变大，反之，“重力”则会变小。这是因为我们的运动改变了我们相对于圆筒中轴线的线速度，从而影响了向心加速度的大小。可是，因为“地壳”旋转的线速度太大了，一般的速度根本无法对“重力”造成可以让人感觉到的改变。所以，想凭借这一点来判断身处何地也是行不通的。
那么，真的没有一个简单易行的方法来判断我们到底身处何地了吗？在“盗梦空间”里，人们可以通过旋转陀螺来判断是否处于梦境之中。在太空站里，其实也有很简单的办法可以判断出我们感觉到的重力到底是真实的还是人造的。方法如下：
准备一个发球机，首先要仔细地调节其出球管道，让其保持在竖直方向。这样，从中发出的球就将沿着竖直方向做上抛运动。为了避免风力的影响，一定要挑一个无风的时间做这个实验，并且选择一种质地较为厚重的球类。启动发球机，观察小球落地的地点。如果在地球上，因为发球管道是竖直的，这个小球将落回原地，很大可能将击中发球管道，或者是随机分布在非常贴近管道的位置（考虑到发球时管道的无规则震动）。
然而，如果是在依靠旋转产生人工重力的太空站上，实验结果将很不一样：你会看到，所有的小球都在水平方向上产生了一个位移，落在了位于抛出点正东方的某个点位。而且，这个水平位移的距离，还会随着抛球速度的增加而迅速增大。比如，当抛球速度为20m/s时，这个水平位移的距离约为14厘米，而当抛球速度增加为30m/s时，水平位移的距离已经增加到约47厘米了。
各位读者朋友，如果你现在身边刚好有发球机或者类似的装备的话，不妨立刻动手试一试。也许你会惊讶地发现，原来你早就已经不在地球上了……
注：本文首发于2016年8月刊《科幻世界》“不存在日报”专栏
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📝责编：高小山、船长
📝作者：刘洋，三维宇宙的物理学博士，主要研究二维量子材料，同时也是一维科幻作家，因为一写起科幻小说来，周围的空间就不存在了，只剩下时间这一根轴。已出版科幻小说集《完美末日》。
