《流浪地球2》中的太空電梯系統(tǒng)是科幻小說中經(jīng)常出現(xiàn)的“未來基建”之一，不過這種看似虛幻的裝置確實是一群科學(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 對此很有話說：“我已經(jīng)投身于太空電梯研究近 20 年了，盡管還有許多問題等待解決，但是我們距離夢想成真已經(jīng)越來越近了。”（本文無劇透）

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，但我相信它在不久之后就能實現(xiàn)——或許就在未來二三十年的時間內(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“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)計并使其能夠成為現(xiàn)實的新方法。

建造太空電梯有許多理由，其中最顯而易見的一個原因是能極大節(jié)約能源和成本。相較于火箭來說，太空電梯是一種更加實際可行的進(jìn)入運行軌道的方法。而另一個常常被忽視的原因則是易用性：“太空任務(wù)”一詞將會被“運輸”代替，因為進(jìn)入太空將更加常規(guī)化并且?guī)缀酹毩⒂谔鞖鈼l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，“運輸” 人員將會更加安全。太空電梯可以成為連接整個太陽系的橋梁：在電梯較低的位置釋放貨物載荷使其繞地球運行，而在更高的位置貨物則繞太陽運行，而這些都不需要燃料幫助。

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

我的故事在 2004 年展開：那時候的我只是坐在 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，因此我著實有些緊張。當(dāng)時我們的對話如下：

我：您覺得我該做什么研究呢？

Misra：你之前是否聽說過太空電梯呢？

我：沒有。那是什么？

Misra：想象一個從地球赤道向高處延伸達(dá) 100 000 千米長的電纜，遠(yuǎn)端固定在一個衛(wèi)星上。這個系統(tǒng)會隨著地球旋轉(zhuǎn)。電纜上的“攀登者”可以調(diào)整電纜運輸?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系統(tǒng)的動力學(xué)。

我：那聽起來······很困難

Misra：你的工作不會很難。真要在地球上建設(shè)一個實際的太空電梯……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《太空電梯的動力學(xué)研究》(The Dynamics of a Space Elevator) ，當(dāng)時正在一個衛(wèi)星設(shè)計項目中擔(dān)任工程師。在一次周末出行中，我的朋友在向他的哥們 Colin 介紹我的時候，稱我為“太空電梯人（the space elevator guy）”。我的妻子還翻了個白眼。我向 Colin 解釋了太空電梯如何運行。

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）的一個衛(wèi)星，它看起來會是在空間上靜止的，因為它的速度恰到好處，每天圍繞地球正好旋轉(zhuǎn)一圈。現(xiàn)在，這個衛(wèi)星向地球投下一條電纜，同時利用燃料上升到更高位置，它們?nèi)匀焕@著地球旋轉(zhuǎn)。這個電纜就會成為機(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，它們會相互對抗并隨著電纜長度變化。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！簡單點說明吧。

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，我和世界上的一部分人暫且假設(shè)這個問題會在之后被解決，而我們將在這個等待的過程中先解決太空電梯的其他工程問題。

Colin：酷。

《流浪地球2》中的太空電梯 來源：電影預(yù)告片

2014 年，我和我妻子再次和 Colin 相遇，他問道：“那個太空電梯現(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候，整個電纜不會被扯下來。

我：如果一個攀登者位于地球同步軌道之下，尤其是近地區(qū)域，電纜的尖端會略微向下移動，電纜的整體張力將會發(fā)生變化。真正的問題是，在攀登者和地球之間的電纜所承受的張力將會減小（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物體）。如果這個張力降低至零，那么這個電纜將不會繃緊，它的結(jié)構(gòu)也會失去內(nèi)在的穩(wěn)定性。這就會導(dǎo)致攀登者（包括它所承載的負(fù)荷）將會有個最大質(zhì)量限制，而這個質(zhì)量大約是整個電纜質(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)量限制仍然會是一個很大的數(shù)字。

Colin：那么電纜材料怎么樣了呢？

我：我已經(jīng)告訴過你了，這并不是我需要解決的問題。

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）舉辦了一場研討會，我在會上總結(jié)了我近二十年來在太空電梯方面的部分研究內(nèi)容。當(dāng)演講結(jié)束，問答部分開始。

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

我：盡管一些潛在適用材料的合成技術(shù)近年來已有長足進(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，同時還需要能在合理的成本下實現(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。而幸運的是，材料研究本身保持前進(jìn)的驅(qū)動力與太空電梯課題并無直接聯(lián)系。

學(xué)生2：這個聽起來真的很酷。但是我們?yōu)槭裁匆ㄔ焖?/p>

我：你可以想想，火箭作為一個交通方式是極為荒謬的。對于典型的太空任務(wù)而言，發(fā)射臺上占比高達(dá)百分之九十的質(zhì)量都來源于燃料。這就好比一臺只有一個壓縮了 100 000 升燃油的油箱、但沒有發(fā)動機(jī)的汽車。我們需要用一個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。

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

學(xué)生3：所以，你覺得它在什么時候可以被造出來呢？

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