全球今热点：《流浪地球2》的太空电梯已被这名物理学家研究了20年，他有话要说

《流浪地球2》中的太空电梯系统是科幻小说中经常出现的“未来基建”之一，不过这种看似虚幻的装置确实是一群科学家的正经课题。加拿大瓦尼尔学院（Vanier College）的物理学家 Stephen Cohen 对此很有话说：“我已经投身于太空电梯研究近 20 年了，尽管还有许多问题等待解决，但是我们距离梦想成真已经越来越近了。”（本文无剧透）

原作 Stephen Cohen（加拿大瓦尼尔学院物理学教师）

翻译 綦懿

(资料图片)

编辑 魏潇

太空电梯（Space elevator）常常被斥为科幻白日梦，但我相信它在不久之后就能实现——或许就在未来二三十年的时间内。纵观自己作为航空航天工程师和物理教授的事业生涯，我始终在思考一个“从地球延伸到太空的电缆”的构想，人员和货物可以沿着它轻松往返。而在近些年，我和其他研究人员已经找到了改良太空电梯的设计并使其能够成为现实的新方法。

建造太空电梯有许多理由，其中最显而易见的一个原因是能极大节约能源和成本。相较于火箭来说，太空电梯是一种更加实际可行的进入运行轨道的方法。而另一个常常被忽视的原因则是易用性：“太空任务”一词将会被“运输”代替，因为进入太空将更加常规化并且几乎独立于天气条件的影响。相较于当前“太空任务”中宇航员在每次发射中都需要冒着极大生命危险，“运输” 人员将会更加安全。太空电梯可以成为连接整个太阳系的桥梁：在电梯较低的位置释放货物载荷使其绕地球运行，而在更高的位置货物则绕太阳运行，而这些都不需要燃料帮助。

尽管我可能看起来像是太空电梯的拥护者，但实际上我只是很乐意研究它们的力学机制。在一个充满问题的世界中，思考这样的项目使我能去设想我们已然成为这个星球的责任看管人的场景。

我的故事在 2004 年展开：那时候的我只是坐在 Arun Misra 教授办公室的一名硕士研究生，期待着他能够指导我的论文。Misra 那时是加拿大麦吉尔大学（McGill University）机械工程系的顶尖航天专家，因此我着实有些紧张。当时我们的对话如下：

我：您觉得我该做什么研究呢？

Misra：你之前是否听说过太空电梯呢？

我：没有。那是什么？

Misra：想象一个从地球赤道向高处延伸达 100 000 千米长的电缆，远端固定在一个卫星上。这个系统会随着地球旋转。电缆上的“攀登者”可以调整电缆运输的载荷并在太空中释放。我在想你或许可以研究一下这个系统的动力学。

我：那听起来······很困难

Misra：你的工作不会很难。真要在地球上建设一个实际的太空电梯……才比较困难。

回忆快进到几年之后。我刚刚发表了硕士论文《太空电梯的动力学研究》(The Dynamics of a Space Elevator) ，当时正在一个卫星设计项目中担任工程师。在一次周末出行中，我的朋友在向他的哥们 Colin 介绍我的时候，称我为“太空电梯人（the space elevator guy）”。我的妻子还翻了个白眼。我向 Colin 解释了太空电梯如何运行。

我：如果你站在赤道并且盯着位于地球同步轨道（海拔大约 36, 000 公里）的一个卫星，它看起来会是在空间上静止的，因为它的速度恰到好处，每天围绕地球正好旋转一圈。现在，这个卫星向地球投下一条电缆，同时利用燃料上升到更高位置，它们仍然绕着地球旋转。这个电缆就会成为机械攀登者用于攀爬的轨道，它类似于一条垂直铁路上的火车，可以将货物载荷运送到太空。

Colin：但是，是什么保持电缆紧绷呢？

我：这是重力作用和离心效应的共同效果，它们会相互对抗并随着电缆长度变化。在地球同步轨道之下，重力作用更胜一筹；而在轨道之上，离心作用则更加显著。这会使得电缆各处始终存在张力，其最大值正好位于同步轨道的位置。

Colin：这可是周五晚上！简单点说明吧。

我：为了建造太空电梯，我们需要一种比强度胜于钢铁约 50 倍的材料。但与此同时，我和世界上的一部分人暂且假设这个问题会在之后被解决，而我们将在这个等待的过程中先解决太空电梯的其他工程问题。

Colin：酷。

《流浪地球2》中的太空电梯 来源：电影预告片

2014 年，我和我妻子再次和 Colin 相遇，他问道：“那个太空电梯现在咋样了？”。我的妻子则闭上了眼，脸上满是“噢不”的表情。

Colin：我不理解的是为什么当乘客从电缆底部搭载上去的时候，整个电缆不会被扯下来。

我：如果一个攀登者位于地球同步轨道之下，尤其是近地区域，电缆的尖端会略微向下移动，电缆的整体张力将会发生变化。真正的问题是，在攀登者和地球之间的电缆所承受的张力将会减小（想象一下你垂直提起一根橡皮筋，然后在它的中段加上一个物体）。如果这个张力降低至零，那么这个电缆将不会绷紧，它的结构也会失去内在的稳定性。这就会导致攀登者（包括它所承载的负荷）将会有个最大质量限制，而这个质量大约是整个电缆质量的百分之一。由于电缆的质量预估将是数百吨，这一最大质量限制仍然会是一个很大的数字。

Colin：那么电缆材料怎么样了呢？

我：我已经告诉过你了，这并不是我需要解决的问题。

Colin：加油啊哥们！

现在，2022 年了，在我负责教授物理的加拿大瓦尼尔学院（Vanier College）举办了一场研讨会，我在会上总结了我近二十年来在太空电梯方面的部分研究内容。当演讲结束，问答部分开始。

学生1：用于建设太空电梯的理想材料什么时候能够出现？

我：尽管一些潜在适用材料的合成技术近年来已有长足进步，但是我们距离理想的材料（它需要既具有足够优秀的性能，同时还需要能在合理的成本下实现高效的生产）仍然有至少 10 年的技术差距。新技术的产生需要等待更好的材料出现，这并不少见。而幸运的是，材料研究本身保持前进的驱动力与太空电梯课题并无直接联系。

学生2：这个听起来真的很酷。但是我们为什么要建造它？

我：你可以想想，火箭作为一个交通方式是极为荒谬的。对于典型的太空任务而言，发射台上占比高达百分之九十的质量都来源于燃料。这就好比一台只有一个压缩了 100 000 升燃油的油箱、但没有发动机的汽车。我们需要用一个更加绿色的方式替代这种低效脱离地球引力的方式去到太空。

美国航空航天局（NASA）计划在 2040 年前将人类送上火星。在我们拥有一台可操控的太空电梯前，我对于人们能否真的实现在火星上行走（以数千亿美元为成本）持怀疑态度。但如果这个要成为一个可持续的活动，我们就将会需要有一台像太空电梯这样的设备，并且越早越好。

学生3：所以，你觉得它在什么时候可以被造出来呢？

我：有一位著名的作家兼工程师 C. Clarke，他的小说《天堂之泉》（The Fountains of Paradise）就构设了第一台太空电梯的建设编年史。当他在 20 世纪 90 年代早期被问到这个问题的时候，他那经典回复是：“也许是当人们不再嘲笑这个设想后的 50 年左右吧”。而这句话用更加现代的方式来说可能是：当 Elon Musk 开始因此受到赞赏的时候，我们就会知道我们距离实现不远了。

直至今天，我的感受和我当初坐在 Arun 办公室的紧张极为相似（是的，我们还在一起工作，我这么称呼他就总会显得有些奇怪）。这条通向太空的精巧大道激发了我的想象力并使我对此充满了希望。

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