摘要
本文为盖亚计划预研报告其中一部分的简版，简述了火星重力以及磁场生成原理，及其现有的重力生成方案。火星重力增加为1G后对其小行星碰撞几率以及两颗卫星轨道的影响。考虑质量变化对内太阳系以及小行星带的影响。
1. 火星地球化重力产生方案及其原理
21世纪60年代，通过与翡翠文明广泛而深入的科学技术交流。材料科学与凝聚态物理产生革命性突破。20世纪物理学家预言存在与致密天体中的电子简并态物质与中子简并态物质，已经可以在实验室制备。[1]
通过简并态物质巨大的密度与产生磁场的性质，我们可以改变火星质量使火星表面重力加速度接近地球，并且增加大气厚度。产生的磁场对火星大气进行保护抵消太阳风的侵蚀。
1.1 重力产生方案讨论
火星平均半径r为3389.5km，根据公式g=\frac{GM}{R^2}要使表面重力其达到1g。火星的质量应为1.688*10^24kg。火星目前质量为6.4185*10^23kg。可以获得的产生磁场的简并态物质密度大约为10t*cm^-3。[2]计算得到应使用的简并态物质体积为1.04605*10^14m^3。如果在地下20km处铺设简并材料仅需要72.8cm。
但是目前实验室的制备的简并物质需要外界压力，才能维持其简并态。简并物质以及维持其压力的外界装置构成的重力发生装置仅能使用在太空城与小行星。在全火地表下20km埋设简并物质从难度及成本上都不是最佳考量。
如果将简并物质全部放置入火星地核处，所需要的超深钻探技术、高压盾构技术[3]、和行星级大型重力发生器技术[4]可能会在未来50年内取得突破。
值得期待的是翡翠文明已经向我们提供的科学技术资料中，有关于制造不需要外界压力，利用自身强相互作用维持高密度态的夸克简并态物质。翡翠文明表示愿意通过“贸易方式”提供盖亚计划所需的简并物质。[5]
1.2 两种可能的方案
我们根据上述讨论，提出两种方案：
- 利用现有技术，在火星人类定居点表面地下100千米处埋设简并物质。保证城市及其周边半径40千米内0.8~1.1g的重力。这种方案可以保证人类定居点的重力，减少城市间重力以节约运输成本。不能实现全火星的1g重力覆盖，不会对火星质量产生明显变化。不能产生磁场。[6]
- 利用夸克简并态物质，超高密度与自发维持简并态的特性。火星对物质巨大的引力会使地幔液化，使其直接沉入火星地幔，直到地核。不需要钻探，盾构技术。精确控制下沉姿态可以调整火星磁场方向使其拥有理想的全球磁场。本方案会在较短时间内明显改变火星质量。[7]
2. 近火空间环境的变化
2.1 火星被小行星击中的概率的改变
火星被击中是非常经典的引力势场散射问题[8]。小行星质量m1，落向质量为m的半径为R的火星(m1<<m)，其有效截面公式为\sigma=\pi R^2(1+\frac{2Gm}{Rv_0^{2}}). v_0为无限远处小行星相对火星的速度。
\sigma的物理意义是对于无限远处小行星可以击中火星的截面积。对于没有势场的情况显然\sigma=\pi R^2。火星质量改变前后有效截面的比值反映了被小行星击中概率比值。由于火星作为一颗行星可以清除自身轨道上的其他天体，和火星相撞的小行星相对速度应在火星的逃逸速度以上否则会与火星轨道重叠。我们取v0范围为5000~30000m/s课可以看出。质量改变并不会明显改变被小行星击中的几率。
2.2 火星卫星轨道的改变
假设可以通过合理的路径向火星—卫星体系增加质量，产生的效果抵消路径的影响。看作单纯火星质量增加。根据万有引力定律与角动量守恒。可以得到r_1GM_1=r_2GM_2=const .r1,M1为质量改变前卫星轨道半径和火星质量。r2,M2为质量改变后卫星轨道半径和火星质量。则火卫一轨道半径从9377.2km降到3565.8km，小于火星半径。但是在火卫一轨道降低到7100千米时就将超过石头堆的洛希极限。被撕碎为火星环[9]。对火星低轨道空间环境产生巨大破坏。
对火卫二使用上面的分析可以得出其轨道会从23460千米降至8921千米的结论。
3.对太阳系其他天体的影响
火星即使地球化的质量也仅为木星的0.089%。质量仅增加2.64倍。火星对其他天体的影响十分有限。火星对地球的引力即使在近地点，也比木星对地球的引力小一个数量级。
3.1 地火之前的轨道变动
关于火星质量变化对内太阳系其他天体的影响研究不多。通过数值模拟的方式我们在比较粗略的精度模拟了火星质量发生变化后30000年，火星与地球的轨道变化结果。本次模拟中我们仅考虑火星、地球、木星与太阳的相互作用。不考虑火星和地球对木星和太阳位置的改变。不考虑太阳系其他天体的影响。由于我们只关心火星质量的变化对轨道随时间演化的影响，探讨会不会对内太阳系带来灾难性的变化，本次模拟的初值取的十分粗略。对地球的初始条件我们取距太阳距离1AU，初速度29787m/s。
由图可见火星质量增加前后对地球轨道的演化大体一致。在30000年内甚至更久之后也不会产生灾难性后果。对原有的行星间的轨道稳定程度影响十分有限。
3.2 对小行星带的影响
火星对小行星带有较强的影响，很有可能导致进入内太阳系的小行星增加，但是这些推测很难被理论有效的预测。对整个小行星带数值模拟有很大的误差。但是根据现有文件可以确定的是对小行星带边缘的匈牙利族小行星有较大影响，它们有穿越火星轨道的小行星，火星质量的增加很有可能导致该小行星家族的减少。[10]
4.结论
我们认为对火星的重力改造在翡翠文明提供的帮助下存在可行性。而且改造所产生的变化也是人类所能应对的。对火星的改造是20世纪的幻想，而现在的人类似乎有能力去将这种幻想变为现实。我们可以引用80年前的一句话来说明这个观点：地球是人类的摇篮，但是人类不能一直呆在摇篮里。
参考文献
[1]Fowler RH. On Dense Matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1926;87(2):114-22.
[2]李群等. 内部超流高压简并材料[J]. 先进材料科学, 2069, 16(6):444-445.
[3]刘兴等.行星内部深度钻探与高压盾构技术展望[J].未来工程学,2070,12(1):10-27
[4]廉络等.行星级大型重力发生器构想[J].未来工程学,2068,11(4):202-207
[5]李曼等.夸克简并物质[J].翡翠科技快讯,2062,5(7):347-349
[6]御坂美琴.城市大型重力发生器应用 [R]上海:盖亚计划预研委员会,2072
[7]托马斯·涅曼.固体介质沉管技术设想 [R]上海:盖亚计划预研委员会,2072
[8]朗道、栗弗席兹、李俊峰. 理论物理学教程:力学[M]. 高等教育出版社, 2007.P53
[9]Holsapple K A. Equilibrium Configurations of Solid Cohesionless Bodies[J]. Icarus, 2001, 154(2):432-448.
[10]Spratt, Christopher E. The Hungaria group of minor planets. Journal of the Royal Astronomical Society of Canada. 1990, 84 (2): 123–131
[1] 本文写于2073年11月5日
作者：manifolds
编辑：庄比
