《流浪地球2》中的太空電梯系統(tǒng)是科幻小說(shuō)中經(jīng)常出現(xiàn)的“未來(lái)基建”之一，不過(guò)這種看似虛幻的裝置確實(shí)是一群科學(xué)家的正經(jīng)課題。加拿大瓦尼爾學(xué)院（Vanier College）的物理學(xué)家 Stephen Cohen 對(duì)此很有話說(shuō)：“我已經(jīng)投身于太空電梯研究近 20 年了，盡管還有許多問(wèn)題等待解決，但是我們距離夢(mèng)想成真已經(jīng)越來(lái)越近了。”（本文無(wú)劇透）

原作 Stephen Cohen（加拿大瓦尼爾學(xué)院物理學(xué)教師）

翻譯 綦懿

(資料圖片)

編輯 魏瀟

太空電梯（Space elevator）常常被斥為科幻白日夢(mèng)，但我相信它在不久之后就能實(shí)現(xiàn)——或許就在未來(lái)二三十年的時(shí)間內(nèi)。縱觀自己作為航空航天工程師和物理教授的事業(yè)生涯，我始終在思考一個(gè)“從地球延伸到太空的電纜”的構(gòu)想，人員和貨物可以沿著它輕松往返。而在近些年，我和其他研究人員已經(jīng)找到了改良太空電梯的設(shè)計(jì)并使其能夠成為現(xiàn)實(shí)的新方法。

建造太空電梯有許多理由，其中最顯而易見(jiàn)的一個(gè)原因是能極大節(jié)約能源和成本。相較于火箭來(lái)說(shuō)，太空電梯是一種更加實(shí)際可行的進(jìn)入運(yùn)行軌道的方法。而另一個(gè)常常被忽視的原因則是易用性：“太空任務(wù)”一詞將會(huì)被“運(yùn)輸”代替，因?yàn)檫M(jìn)入太空將更加常規(guī)化并且?guī)缀酹?dú)立于天氣條件的影響。相較于當(dāng)前“太空任務(wù)”中宇航員在每次發(fā)射中都需要冒著極大生命危險(xiǎn)，“運(yùn)輸” 人員將會(huì)更加安全。太空電梯可以成為連接整個(gè)太陽(yáng)系的橋梁：在電梯較低的位置釋放貨物載荷使其繞地球運(yùn)行，而在更高的位置貨物則繞太陽(yáng)運(yùn)行，而這些都不需要燃料幫助。

盡管我可能看起來(lái)像是太空電梯的擁護(hù)者，但實(shí)際上我只是很樂(lè)意研究它們的力學(xué)機(jī)制。在一個(gè)充滿問(wèn)題的世界中，思考這樣的項(xiàng)目使我能去設(shè)想我們已然成為這個(gè)星球的責(zé)任看管人的場(chǎng)景。

我的故事在 2004 年展開(kāi)：那時(shí)候的我只是坐在 Arun Misra 教授辦公室的一名碩士研究生，期待著他能夠指導(dǎo)我的論文。Misra 那時(shí)是加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）機(jī)械工程系的頂尖航天專家，因此我著實(shí)有些緊張。當(dāng)時(shí)我們的對(duì)話如下：

我：您覺(jué)得我該做什么研究呢？

Misra：你之前是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)太空電梯呢？

我：沒(méi)有。那是什么？

Misra：想象一個(gè)從地球赤道向高處延伸達(dá) 100 000 千米長(zhǎng)的電纜，遠(yuǎn)端固定在一個(gè)衛(wèi)星上。這個(gè)系統(tǒng)會(huì)隨著地球旋轉(zhuǎn)。電纜上的“攀登者”可以調(diào)整電纜運(yùn)輸?shù)妮d荷并在太空中釋放。我在想你或許可以研究一下這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。

我：那聽(tīng)起來(lái)······很困難

Misra：你的工作不會(huì)很難。真要在地球上建設(shè)一個(gè)實(shí)際的太空電梯……才比較困難。

回憶快進(jìn)到幾年之后。我剛剛發(fā)表了碩士論文《太空電梯的動(dòng)力學(xué)研究》(The Dynamics of a Space Elevator) ，當(dāng)時(shí)正在一個(gè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)項(xiàng)目中擔(dān)任工程師。在一次周末出行中，我的朋友在向他的哥們 Colin 介紹我的時(shí)候，稱我為“太空電梯人（the space elevator guy）”。我的妻子還翻了個(gè)白眼。我向 Colin 解釋了太空電梯如何運(yùn)行。

我：如果你站在赤道并且盯著位于地球同步軌道（海拔大約 36, 000 公里）的一個(gè)衛(wèi)星，它看起來(lái)會(huì)是在空間上靜止的，因?yàn)樗乃俣惹〉胶锰帲刻靽@地球正好旋轉(zhuǎn)一圈。現(xiàn)在，這個(gè)衛(wèi)星向地球投下一條電纜，同時(shí)利用燃料上升到更高位置，它們?nèi)匀焕@著地球旋轉(zhuǎn)。這個(gè)電纜就會(huì)成為機(jī)械攀登者用于攀爬的軌道，它類似于一條垂直鐵路上的火車，可以將貨物載荷運(yùn)送到太空。

Colin：但是，是什么保持電纜緊繃呢？

我：這是重力作用和離心效應(yīng)的共同效果，它們會(huì)相互對(duì)抗并隨著電纜長(zhǎng)度變化。在地球同步軌道之下，重力作用更勝一籌；而在軌道之上，離心作用則更加顯著。這會(huì)使得電纜各處始終存在張力，其最大值正好位于同步軌道的位置。

Colin：這可是周五晚上！簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)明吧。

我：為了建造太空電梯，我們需要一種比強(qiáng)度勝于鋼鐵約 50 倍的材料。但與此同時(shí)，我和世界上的一部分人暫且假設(shè)這個(gè)問(wèn)題會(huì)在之后被解決，而我們將在這個(gè)等待的過(guò)程中先解決太空電梯的其他工程問(wèn)題。

Colin：酷。

《流浪地球2》中的太空電梯 來(lái)源：電影預(yù)告片

2014 年，我和我妻子再次和 Colin 相遇，他問(wèn)道：“那個(gè)太空電梯現(xiàn)在咋樣了？”。我的妻子則閉上了眼，臉上滿是“噢不”的表情。

Colin：我不理解的是為什么當(dāng)乘客從電纜底部搭載上去的時(shí)候，整個(gè)電纜不會(huì)被扯下來(lái)。

我：如果一個(gè)攀登者位于地球同步軌道之下，尤其是近地區(qū)域，電纜的尖端會(huì)略微向下移動(dòng)，電纜的整體張力將會(huì)發(fā)生變化。真正的問(wèn)題是，在攀登者和地球之間的電纜所承受的張力將會(huì)減小（想象一下你垂直提起一根橡皮筋，然后在它的中段加上一個(gè)物體）。如果這個(gè)張力降低至零，那么這個(gè)電纜將不會(huì)繃緊，它的結(jié)構(gòu)也會(huì)失去內(nèi)在的穩(wěn)定性。這就會(huì)導(dǎo)致攀登者（包括它所承載的負(fù)荷）將會(huì)有個(gè)最大質(zhì)量限制，而這個(gè)質(zhì)量大約是整個(gè)電纜質(zhì)量的百分之一。由于電纜的質(zhì)量預(yù)估將是數(shù)百噸，這一最大質(zhì)量限制仍然會(huì)是一個(gè)很大的數(shù)字。

Colin：那么電纜材料怎么樣了呢？

我：我已經(jīng)告訴過(guò)你了，這并不是我需要解決的問(wèn)題。

Colin：加油啊哥們！

現(xiàn)在，2022 年了，在我負(fù)責(zé)教授物理的加拿大瓦尼爾學(xué)院（Vanier College）舉辦了一場(chǎng)研討會(huì)，我在會(huì)上總結(jié)了我近二十年來(lái)在太空電梯方面的部分研究?jī)?nèi)容。當(dāng)演講結(jié)束，問(wèn)答部分開(kāi)始。

學(xué)生1：用于建設(shè)太空電梯的理想材料什么時(shí)候能夠出現(xiàn)？

我：盡管一些潛在適用材料的合成技術(shù)近年來(lái)已有長(zhǎng)足進(jìn)步，但是我們距離理想的材料（它需要既具有足夠優(yōu)秀的性能，同時(shí)還需要能在合理的成本下實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)）仍然有至少 10 年的技術(shù)差距。新技術(shù)的產(chǎn)生需要等待更好的材料出現(xiàn)，這并不少見(jiàn)。而幸運(yùn)的是，材料研究本身保持前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力與太空電梯課題并無(wú)直接聯(lián)系。

學(xué)生2：這個(gè)聽(tīng)起來(lái)真的很酷。但是我們?yōu)槭裁匆ㄔ焖?/p>

我：你可以想想，火箭作為一個(gè)交通方式是極為荒謬的。對(duì)于典型的太空任務(wù)而言，發(fā)射臺(tái)上占比高達(dá)百分之九十的質(zhì)量都來(lái)源于燃料。這就好比一臺(tái)只有一個(gè)壓縮了 100 000 升燃油的油箱、但沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車。我們需要用一個(gè)更加綠色的方式替代這種低效脫離地球引力的方式去到太空。

美國(guó)航空航天局（NASA）計(jì)劃在 2040 年前將人類送上火星。在我們擁有一臺(tái)可操控的太空電梯前，我對(duì)于人們能否真的實(shí)現(xiàn)在火星上行走（以數(shù)千億美元為成本）持懷疑態(tài)度。但如果這個(gè)要成為一個(gè)可持續(xù)的活動(dòng)，我們就將會(huì)需要有一臺(tái)像太空電梯這樣的設(shè)備，并且越早越好。

學(xué)生3：所以，你覺(jué)得它在什么時(shí)候可以被造出來(lái)呢？

我：有一位著名的作家兼工程師 C. Clarke，他的小說(shuō)《天堂之泉》（The Fountains of Paradise）就構(gòu)設(shè)了第一臺(tái)太空電梯的建設(shè)編年史。當(dāng)他在 20 世紀(jì) 90 年代早期被問(wèn)到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，他那經(jīng)典回復(fù)是：“也許是當(dāng)人們不再嘲笑這個(gè)設(shè)想后的 50 年左右吧”。而這句話用更加現(xiàn)代的方式來(lái)說(shuō)可能是：當(dāng) Elon Musk 開(kāi)始因此受到贊賞的時(shí)候，我們就會(huì)知道我們距離實(shí)現(xiàn)不遠(yuǎn)了。

直至今天，我的感受和我當(dāng)初坐在 Arun 辦公室的緊張極為相似（是的，我們還在一起工作，我這么稱呼他就總會(huì)顯得有些奇怪）。這條通向太空的精巧大道激發(fā)了我的想象力并使我對(duì)此充滿了希望。

原文鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/space-elevators-are-less-sci-fi-than-you-think/

關(guān)鍵詞： 流浪地球2的太空電梯已被這名物理學(xué)家研究了20年