人类有朝一日可以建造的“超大规模”工程

发布: | 发布时间:2021-01-18,星期一 | 阅读:24

新浪科技讯 北京时间1月18日消息,据国外媒体报道,人类设计制造出的最庞大又不可思议的东西是什么呢?从地球推杆到太空加农炮,安德斯·桑德伯格探索了历史上最雄心壮志的一些愿景,以及为什么它们并不像看上去那般“荒谬”。

1603年,一名耶稣会的修士发明了一台机器,打算只用绳索和齿轮来撬动整个地球。克里斯托夫·格林伯格管理着耶稣会作者撰写的所有数学著作。他的工作,说起来,跟现代科学期刊杂志的编辑有点相似。

格林伯格这个人,谦虚又勤奋,而且总是忍不住想要解决各种问题。有一次,他开始思考,既然一个1:10的齿轮装置可以让一个人举起十倍于常人可举起的重量,那么如果一个人用一个踏车连着24个齿轮,他就可以慢慢地……慢慢地……举起整个地球。

就像那些重理论轻实践的现代学者一样,格林伯格忽略了一些麻烦的细节:“我不会编织那些绳索,也不会设计轮子的材料,更不会费脑筋去想装置应该悬挂在什么地方:这些问题我会留给别人去思考。”

格林伯格设想的装置

自从我们有数学以来,像格林伯格一样富有远见的学者就不曾停止畅想工程学的遥远极限,哪怕当时缺乏技术。几个世纪以来,他们曾设想过用机器撬起整个世界、改变地球表面,甚至重组宇宙。这些“超大规模工程”——有时也被称为“宏观工程”——涉及浩大的项目,目标是重塑地球或者建造和地球差不多规模的庞然大物。从这些充满未来主义的超级梦想中,我们可以看到人类无穷的创造力和想象力。

超大规模工程的起源可以追溯到古希腊人。阿基米德因很多事情而负有盛名,但相传他说过的一句最耳熟能详的话是:“给我一个支点,我能撬起整个地球!”他说的其实是杠杆原理。阿基米德知道,借助一个固定的支点,一根足够长的杠杆可以施加巨大的力。就像格林伯格的机器赋予齿轮的魅力一般,阿基米德对这些机械原理的洞察,让人们忍不住地开始想象远远超出实际范围的问题。

从那时起,每当一个物理定律被发现具有普遍性时,下一步自然而然地便是扩大该定律的适用范围并探索理论上的可能性。艾萨克·牛顿总结出了同样适用于苹果和月球的地球引力定律。因此,早在人类实现太空旅行之前,牛顿就指出,理论上讲,一门强大的加农炮可以把卫星送进地球轨道。这个想法,在1865年,被儒勒·凡尔纳写进了科幻小说《从地球到月球》。

凡尔纳的小说中用来发射炮弹车厢“哥伦比亚炮”的巨型加农炮。

二十世纪,美国和其他地区的一些组织开展了严肃认真的尝试,以探索这种加农炮是否行得通。他们的尝试失败了,因此牛顿的灵感很容易被误解为一个错误的预测。但是,不要忘记,我们目前的太空运输工具——火箭——曾经也被认为是不可能的、是一种空想。1920年,《纽约时报》发表了一篇著名文章,嘲笑这个想法的支持者,暗讽他们没受过高中物理教育。(1969年,阿波罗11号飞向月球的一天之后,这份报纸又发表了一篇轻松愉快的评论。)

多年以来,相似的理论狂想逐渐向太空延伸,不由得开始让人们好奇,是否可以建造一台太空电梯。按理说,把坚固的缆线从位于地球轨道的平衡锤上悬挂下来,就可以得到一部通向太空的太阳能电梯。把航天器拴在缆线末端甩出去,航天器就可以使用最少的燃料飞向其他星球。由于引力更小,火星或月球上的“天梯”似乎更加实用。

为了进一步扩大我们的天文壮志,其他人还在设想,未来人类是否有可能把火星变成可居住的星球,或者甚至在太阳周围构建一个由太阳能收集器组成的“戴森球”。从长远来看,我们可能需要采取一些改进,让太阳的寿命更长,把地球移动柜到更宽的轨道上,或者在星系之间移动恒星。这些预测目前来看,更像是天方夜谭,但数学和物理并不排除它们的可能性。

重新设计地球

回到我们的地球。超大规模工程梦也激发了关于乌托邦计划的各种蓝图,包括大规模改变海洋和大气层的工程。

在上世纪二十年代及以后,赫尔曼·索格尔的亚特兰特罗帕项目梦想着建造一座横跨直布罗陀海峡的大型水力发电大坝。这个项目会使得地中海水位下降200米,开辟出新的可居住土地。另外一个横跨达达尼尔海峡的水坝用以阻隔黑海的海水,可以补充第一个水坝;接着,在西西里岛和突尼斯再建一个水坝,进一步降低地中海的水位,延长苏伊士运河连接船闸;最后,将刚果河改道填满乍得湖周围的水域,为撒哈拉沙漠提供灌溉用的淡水。如今,即便这个项目能得到政治上的支持,出于对生态保护的考虑,整个项目也不太可能实现。

赫尔曼·索格尔的亚特兰特罗帕项目

一个现代版本的亚特兰特罗帕项目与其说严肃的提议(尽管仍经过了细致地分析),不如说是一个善意的警告。这个项目打算在苏格兰、挪威、法国和英国之间建造大坝阻隔北海的海水,以防止海平面上升。

然后,在1957年到1977年之间,美国也出现了一个“犁头计划”,旨在以大规模和平建设为目的,开发核爆破技术(苏联也有类似的计划:“国民经济核爆炸”计划)。这些想法包括使用核爆炸拓宽巴拿马运河、在山脉上挖掘人工港口或路堑以及在地下储存天然气或石油。不过意料之中的是,人们对轻度放射性基础设施的兴趣从未真正成气候。

但是,眼下人们正在严肃考虑和研究的一个大规模改造地球的替代工程,叫做地球工程。这个地球工程涉及人为干涉天气系统,以减少太阳能的输入,无论是亮化海洋云层、向平流层添加气溶胶或在天空张一块大遮阳棚,还是使用压碎的橄榄石结合二氧化碳或把二氧化碳泵入地下等等。这看上去似乎是可行的,也许还是有必要的,然而控制太阳能输入绝对是一个非常冒险的想法。

狂想的乐趣

这种思维游戏背后的动机是什么呢?在理论层面上,扮演上帝的角色是一个乐趣。但不仅仅如此。

多数情况下,这背后的逻辑莫过于“多多益善”。如果有更多的农业用地是好事,那为什么不尝试获取尽可能多的农业用地呢?如果能源很宝贵,那使用已知的技术,我们可以获取多少能源呢?这些思考可以告诉我们一些重要的事情,比如极限在哪里,以及如果我们矢志不渝,我们究竟可以得到多少?这样做的目的不在于预测“如何做到”或“什么时候实现”,而更多地在于弄清楚宇宙定律是否会阻止我们的雄心壮志。此外,这也可以帮助我们分清楚什么是不可能的,什么又是几乎不可能的。

电网、互联网和州际高速公路都规模庞大,但我们仍觉得它们都理所当然

这些超级工程项目,在他们的设计者眼中,可能也是极具乌托邦意味的愿景。索格尔认为,亚特兰特罗帕可以提供能源、耕地,改善气候,也有助于欧洲和非洲的融合。俄罗斯哲学家尼古拉·费德洛夫在他的和平统一人类的宇宙计划中,将气候控制列为第一步。这一切的重点是,共同努力实现一个宏伟的目标。与其说是举起整个世界,不如说是改善全人类。

这些梦想也容易受到嘲笑,并被认为是不切实际的乌托邦主义或工程技术的狂妄自大。然而,我们的地球被每秒传输大量数据、存储数据的机器包围着,而你可能正在使用这些机器传输的数据(互联网)。然后,我们头顶还有一个比足球场还大的机器,移动速度比步枪射出的子弹速度还快(空间站)。还有,欧洲有一台机器周长27公里,可以将能量转化为奇异物质(大型强子对撞机)。想象一下,阿基米德或牛顿会怎么看待这些。

事实上,我们已经生活在这些超大规模的工程中,只是我们鲜有注意到。我们所处环境中的一些大规模工程几乎很少被察觉。荷兰、以及林肯郡、剑桥郡和诺福克郡的沼泽,都是填海开垦出来的土地。亚马孙雨林也不似人们想象的那样原始:人们在这里已经耕种了上千年。东南亚的梯田和现代大都市都是工程创造出来的,渐渐变成了风景。有的时候,这些工程有宏伟的蓝图,有的时候则没有。

何时以及为何起作用?

大型项目通常免不了会出现成本超支、规划不佳以及项目管理不善等问题。但既然我们这么不善于执行大型项目,那以往的这些又是如何成功的呢?

我们不妨以已经存在的超大规模工程项目为例——东南亚部分地区的梯田、荷兰的填海造地、美国的州际高速公路系统,以及互联网等,这些都包含许多可以零散实施的小项目。工作可以随时暂停,等累积了经验之后再继续,而且系统也不必依赖每一个部分的正常运行。人们也可以对这些项目进行维护。

NASA的派克太阳探测器是最接近太阳的人造物体。

这跟先前的许多由某一个人设想的、宏伟但往往不现实的愿景有很大不同。然而,有些超大规模项目可以比它们初看起来时,更加模块化、也更加实用。这其中的关键不在于规模大小,而是以什么样的方式进行协调。比如上文提到的戴森球建造。这个想法听上去十分遥远,但从某种意义上来说,我们已经开始通过发射太阳轨道卫星,在太阳的周围部署太阳能收集器。如果一直这样发射太阳轨道卫星,持续数百万年的话,人类的确可以建造出一个戴森球。

对于改善我们整个地球的状态,自上而下的计划虽然听上去十分宏伟,但却不如自下而上的零散解决方案来得可行。尽管如此,梦想还是要有的:我们仍需要展开想象,知道哪些有朝一日或可实现(“我们现在没有能力造一部太空电梯……但未来说不定可以呢!”),以及思考人类未来前进的大方向——可持续发展、太空、繁荣、安全等等。

不切实际的乌托邦嘴上说说便足矣,真正实践起来大可不必。但是,我们依然可以看到,为了改善我们的世界,人们总能冒出各种各样神奇的想法。我们或许没有撬动地球的技术,但阿基米德知道我们拥有如此多的“杠杆”,一定会十分欣喜。(匀琳)


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