年初二晚上跟家人一起看了期待已久的《流浪地球 2》，首先表明立場：是個好片，沒有讓我失望，電影工業(yè)化水準(zhǔn)超過了第一部，推薦觀影。這部影片中可以聊的科學(xué)話題非常多，春節(jié)前就著預(yù)告片已經(jīng)聊了?數(shù)字生命?的話題，今天想重點聊一下?太空電梯?。

《流浪地球2》太空電梯，來源：網(wǎng)絡(luò)

太空電梯是《流浪地球 2》故事開端最重要的背景元素之一，鏡頭做得真的很逼真、很酷炫，給我留下了很深的印象。盡管太空電梯的概念已經(jīng)提出有 128 年了，由俄羅斯火箭之父齊奧爾科夫斯基最早提出，但這次恐怕是影史上第一次如此逼真地展現(xiàn)太空電梯（若有遺漏，歡迎留言補充）。

< 太空電梯是不是純粹的想象？>

或許太空電梯的概念有點違反直覺，怎么能有一根懸在空中不會掉下來的繩子呢？其實，這樣的繩子在科學(xué)上是完全成立的，只要它足夠長。

太空電梯概念圖

"Space elevator the first test in space from Japan" by ventonero2002 is licensed under CC BY-NC-SA 2.0.

太空電梯用最簡化的版本來說，就是在地球的同步軌道衛(wèi)星上垂一根長長的繩子，一直垂到地面。所謂地球同步軌道衛(wèi)星，就是在赤道上空 3.6 萬千米的高度運行的衛(wèi)星，比如著名的星鏈衛(wèi)星。在這個高度上，衛(wèi)星的飛行速度剛好能和地球自轉(zhuǎn)保持同步，所以，從地面上看過去，這顆衛(wèi)星就好像靜止在天空中一樣。相對地面靜止，是建設(shè)太空電梯的必要條件之一。從同步軌道衛(wèi)星上垂下繩子，然后在這根繩子上再裝一個可以升降的電梯轎廂，就成了一部可以一直升到太空中的電梯了。

不過，上面那個簡化版本忽略了一個非常重要的問題——繩子本身的質(zhì)量，一根長達 3.6 萬千米的繩子的質(zhì)量是不能被忽略的。在簡化設(shè)計中，繩子加上同步衛(wèi)星的共同質(zhì)心肯定會在同步軌道高度以下，這就無法保證太空電梯整體上和地球自轉(zhuǎn)保持同步。

那要怎么辦呢？解決方案也簡單，就是把這根繩子繼續(xù)加長，一直延伸到衛(wèi)星的上方，再連接一個巨大的配重物體，使得所有連在一起的物體的共同質(zhì)心剛好落在地球同步軌道上，這樣問題就解決了。

太空電梯示意圖，來源：汪詰繪制

< 人類有能力建造太空電梯嗎？>

科學(xué)原理上一點都不復(fù)雜，但工程難度卻恐怖到令人望而生畏，有無數(shù)工程難題需要解決，其中最難最難的是那根長達 3.6 萬千米的纜繩。

超強纜繩概念圖

"Space Elevator GEO Station" by FlyingSinger is licensed under CC BY-NC-SA 2.0.

我要先給你解釋一個單位：尤里（Yuri），它是以太空電梯的另外一位重要提出者尤里·阿特蘇塔諾夫的名字命名的。這個單位代表了材料的強度，也就是單位面積能夠承受的極限力與材料的密度之比。尤里越大，則材料也就越不容易斷裂。

經(jīng)常被用來做眼鏡腿的鈦合金的強度大概是 30 萬尤里，美國杜邦公司發(fā)明的超強材料?凱夫拉?的強度大約為 250 萬尤里。而要成為太空電梯的纜繩，根據(jù)計算，它的強度應(yīng)當(dāng)介于 3000 萬到 8000 萬尤里之間。凱夫拉的強度至少還差了 10 多倍。

《流浪地球2》宣傳圖，來源：網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)在看來，前景最為樂觀的候選材料名為碳納米管。它的結(jié)構(gòu)是碳原子排列成形似一根吸管的分子，直徑小于頭發(fā)絲。如果工藝完美的話，在理論上，碳納米管的強度能達到 5000 萬到 6000 萬尤里的水平，可以用作太空電梯的纜繩。不過，這種材料的制造難度非常高。我國目前保持國際領(lǐng)先水平，2013 年，清華大學(xué)的魏飛教授團隊成功制造出了世界上最長的碳納米管，但它的長度僅僅只有?0.5 米左右。截止到我寫稿時，沒看到有新的記錄產(chǎn)生，而太空電梯的纜繩長度至少需要 3.6 萬千米，差距依然是極其巨大的。

碳納米管結(jié)構(gòu)圖

來源：depositphotos，已獲授權(quán)

總之，結(jié)論就是，太空電梯原理簡單，但工程技術(shù)難度超高，目前還遙不可及。

< 真正的太空電梯會是啥樣？>

讓我們回到電影《流浪地球 2》上來。我想從自己的角度說說電影中所表現(xiàn)的太空電梯，有哪些是屬于為了劇情和視覺需要而幻想出來的。注意，這不是吐槽電影，我自己也偶爾創(chuàng)作科幻小說，我深知有時候為了藝術(shù)表現(xiàn)或故事情節(jié)的需要，不得不犧牲一定的科學(xué)性，我只是想借著電影情節(jié)來做一些科普，讓大家了解一下真實世界更有可能會是怎樣。

在電影中，太空電梯的轎廂就像是一架小型的火箭，升空的時候能產(chǎn)生 9 個 G 的加速度。我敢說，未來如果真有太空電梯，多半不是這樣的。

《流浪地球2》太空電梯升空，來源：網(wǎng)絡(luò)

且不說，現(xiàn)在的火箭在升空時能達到 3 個 G 左右的加速度就已經(jīng)很不錯了，9 個 G 的加速度，實在太超前，也沒有必要。但更關(guān)鍵的問題是，太空電梯最大的優(yōu)點是可以擺脫第一宇宙速度的束縛，實現(xiàn)低速航空。如果太空電梯的轎廂使用火箭推進器來升空，那就好像汽車必須要馬拉著才能跑一樣怪異。

宇宙速度的這個概念，最早是牛頓提出來的。他設(shè)想在一座高高的山頂上，放一門加農(nóng)炮，然后發(fā)射炮彈。假設(shè)忽略空氣阻力的影響，那么炮彈的出膛速度達到了第一宇宙速度，這顆炮彈就會成為地球的一顆衛(wèi)星，如果達到第二宇宙速度，那么這顆炮彈就會飛離地球，永遠回不來了。請注意，宇宙速度計算成立的前提條件是炮彈一旦出膛后，就不再受到任何外力作用，完全靠慣性飛行。只有在這個前提條件下，宇宙速度的概念才是成立的。

但假如炮彈可以有持續(xù)的動力源來推進，那它無需達到第一宇宙速度，就可以輕易飛出地球。你還可以想象一下，假如地月之間有一根繩子連著，忽略壽命等其他因素影響的話，那連一只蝸牛也可以爬到月球，跟快慢無關(guān)。

人類航天事業(yè)目前之所以成本如此高昂，根本原因是我們找不到一個可以持續(xù)提供大推力的動力源，火箭的燃料幾分鐘就燒完了，并且還把最大一部分能量消耗在了克服自己本身的重力上，擺脫地心引力的成本實在太高。太空電梯最大的誘人之處就在于，有了纜繩之后，就可以通過電磁力，把電梯慢慢地拉到太空中，不受宇宙速度的限制，也不需要攜帶又重又貴又低效的燃料。所以，假如未來真的能造出太空電梯，不太可能還需要用火箭推進，這感覺就馬拉汽車無異。

太空電梯幻想圖之一

來源：depositphotos，已獲授權(quán)

另一個與大多數(shù)人直覺相反的科學(xué)事實是，當(dāng)太空電梯升到現(xiàn)在的天宮空間站的高度時，我們幾乎感覺不到失重。在太空電梯的上升過程中，除了在啟動階段有一小會兒因為電梯的加速度而產(chǎn)生微弱的超重感，在電梯勻速運行后，即便已經(jīng)升到了可以看清地球全貌，像是來到了太空的時候，我們也不會有明顯的失重感。這是因為電梯一直要上升到離地面 3.6 萬千米的同步軌道時，重力才會從地面上的一個 g 逐漸勻速減少到零。在太空電梯與天宮空間站擦肩而過的時候，我們會看到一個奇景——空間站里面的人是失重的，在那兒飄來飄去，而太空電梯中的我們還穩(wěn)穩(wěn)地坐在椅子上，幾乎感覺不到失重。

這是因為，天宮號空間站的軌道高度大約是 300 公里左右，這個高度還不到地球同步軌道高度（3.6 萬公里）的 1%。宇航員在天宮號上之所以會失重，是因為天宮號繞地球運行的速度要遠遠高于太空電梯， 天宮號 90 分鐘就會繞地球轉(zhuǎn)一圈，而太空電梯的繞地速度是恒定的 24 小時一圈，相差了 16 倍。宇航員在天宮號上失重的原因是重力恰好等于旋轉(zhuǎn)的向心力（或者說是離心力抵消了重力）。更直觀的理解方式是，天宮號其實也是在做自由落體運動，只不過因為下落的同時還有一個水平方向的速度，使得天宮號永遠落不到地上，只會繞著地球轉(zhuǎn)圈。

太空電梯幻想圖之二

來源：depositphotos，已獲授權(quán)

有了這個知識后，我可以引出下一個觀點：要攻擊太空電梯，遠不需要電影中表現(xiàn)的那么麻煩——先來一波蝗蟲般的無人機進攻，再來一波太空導(dǎo)彈。如果kb分子真的混進了轎廂想要搞破壞，只需要在抵達地面 500 公里左右的時候，向窗外扔一些金屬塊出去，甚至可以是就地取材，把轎廂中的一些重物扔出去。這時候，金屬塊會以近似于自由落體加速度下落，高速撞擊地面時，理論上每扔下一千克的金屬塊就能產(chǎn)生相當(dāng)于 100 千克 TNT 炸藥的爆炸威力，這個威力我就不再解釋有多大了，反正炸斷纜繩肯定是夠了。

當(dāng)然，這不是最佳的破壞方式，因為纜繩從底部斷裂，并不會導(dǎo)致太空電梯整個墜毀。你可以想象成你從高處垂下的一根繩子，和地面的連接處被剪斷了，繩子依舊會懸垂著，并不是多大的損壞，只要再接上就修復(fù)了。

《流浪地球2》太空電梯危機，來源：網(wǎng)絡(luò)

破壞太空電梯的最佳方式是在 3 萬千米左右的高度，把纜繩給炸斷，這時候，這根長達 3 萬千米的纜繩就會在自身重力作用下向地表墜落，足以對太空電梯造成毀滅性的破壞。

當(dāng)然，我不希望世界上有任何人成為kb分子。

< 令人神往的太空旅游 >

假如你能活到太空電梯夢想成真的那天，搭乘太空電梯進行太空旅游，將會是一次很不錯的體驗。首先，在太空電梯上升過程中，我們不必承受過大的重力加速度。而且這趟旅程完全沒必要升到同步軌道的高度，那樣的花的時間太長了，只要升到天宮號的高度或者更高一點，就可以飽覽太空美景并返回了。在這個過程中，我們幾乎感覺不到失重。

當(dāng)然，你也有可能就是為了體驗一下失重才去太空旅游。這也很好辦，只要讓電梯在返回的時候做自由落體運動，失重感立刻就來，并且太空電梯可以靈活控制失重的時間，讓人們既能體驗失重，又不至于時間過長而暈吐的一塌糊涂。我估計這么來回一趟的票價，差不多也就是相當(dāng)于現(xiàn)在的人民幣 1 萬元就夠了。

理性地說，我不認(rèn)為我能活到那一天。但在考慮了眾多廉價航空方案后，我的觀點是，只有太空電梯這個方案是可行的。也只有這個方案，才能使得人類有可能建設(shè)巨大的太空定居點或者太空飛船，而這兩樣?xùn)|西是人類離開地球搖籃，進入更深遠宇宙空間所必需的?；谶@個邏輯，使我堅信，太空電梯的落成必將成為人類文明史上的又一塊里程碑。

我希望我的下一代能完成這項超級偉大的工程。

未來的太空電梯與地球

來源：depositphotos，已獲授權(quán)

< 題外話?>

最近也看了不少強烈批評《流浪地球 2》的觀點，比如電影中透出來的價值觀等等。我有點不理解為啥看電影就不能圖個“觀影體驗”去看，非得去挖深層次的價值觀啥的。《流浪 2》 的定位本來就是一部商業(yè)電影（也可以叫爆米花電影，更注重的是體驗），又不是文藝片，不喜歡里面的價值觀可以一笑了之（有些我也不喜歡），但觀影體驗好也值得看啊?？次乃嚻梢栽诩依飳χ娨暬蛘呤謾C看就好了，干嘛要跑電影院，電影院現(xiàn)在存在的價值不就是大熒幕、杜比全景聲、心安理得吃爆米花、帶家人一起放松、建立男女感情等等嘛。拋開這些賣點，花錢去電影院干嘛呢，窩在被窩里刷手機不是更香嗎？你覺得呢？