新浪科技訊 北京時間1月25日消息，據(jù)國外媒體報道，在Apple TV劇集《基地》的第一集中，有一名恐怖分子試圖破壞銀河帝國的太空電梯。我們不妨借此機(jī)會想象一下太空電梯會涉及哪些物理原理，以及假如太空電梯真的發(fā)生了爆炸、可能會有什么后果。

人類似乎很喜歡把東西送到大氣層以外，比如天氣衛(wèi)星、空間站、GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡等等。但就目前而言，將物資送入太空的唯一手段仍是利用受控的化學(xué)爆炸，俗稱“火箭”。

火箭雖然很酷，但成本高昂、效率偏低。假設(shè)我們要將1千克物資送到近地軌道上，距地表約400公里，高度和國際空間站差不多。要想將物體送入軌道，我們要完成兩件事。首先，我們要將該物體送到400公里的高度上。但如果只提高海拔高度，物體是無法長時間留在太空中的，很快便會墜落回地球表面。因此要想讓其留在近地軌道上，我們必須讓物體動起來，而且要動得足夠快才行。

先簡單解釋幾個能量小知識：我們向一個系統(tǒng)中投入的能量（又稱為做功）與該系統(tǒng)中的能量變化總和相等。我們可以給不同類型的能量建立數(shù)學(xué)模型。動能取決于物體的運(yùn)動速度，物體速度越快、動能越大。重力勢能取決于物體與地球之間的距離，因此物體海拔越高、重力勢能越大。

因此，假設(shè)我們用火箭增加物體的重力勢能（將其抬升到正確的高度上）、同時增加其動能（將其加速到足夠快）。物體要想沿著軌道旋轉(zhuǎn)，速度其實(shí)比高度更重要。物體只有11%的能量歸屬于引力勢能，其余皆為動能。

將僅僅1千克的物體送入軌道，就需要耗費(fèi)3300萬焦耳的能量。而相比之下，如果將一本書從地板上撿起來、放到桌子上，只需耗費(fèi)10焦耳?？梢妼⑽矬w送入軌道所耗的能量是多么驚人。

但真正的問題其實(shí)比這還要棘手。利用化學(xué)火箭，真正耗費(fèi)的不僅是將1千克物體送入軌道的能量，因?yàn)榛鸺€要攜帶飛至近地軌道所需的燃料。在燃料用完之前，它們只會增加火箭載荷，這意味著火箭發(fā)射時需要攜帶更多燃料才行。在現(xiàn)實(shí)中，許多火箭攜帶的燃料占到了總重量的85%，效率可以說極其低下。

那如果我們不借助化學(xué)火箭發(fā)射物體，而是拉一根直通太空的纜線、讓物體沿著纜線爬升呢？

太空電梯的基礎(chǔ)知識

假設(shè)我們已經(jīng)建起了一臺400公里高的巨塔。你以為只要坐上電梯、升到塔頂，就能進(jìn)入太空了對嗎？事實(shí)可沒有這么簡單。

首先，這種結(jié)構(gòu)很難用鋼鐵搭建而成，否則高塔的底部很可能被自身重量壓垮，而且耗費(fèi)的材料量也太過龐大。

但最大的難點(diǎn)還不在這里，速度也是一大難題。（別忘了，必須達(dá)到足夠的運(yùn)動速度才能停留在軌道上。）由于地球一直在自轉(zhuǎn)，如果塔的基座位于地球赤道上，位于400公里高度上的塔頂就會處于高速運(yùn)動狀態(tài)。地球自轉(zhuǎn)一圈大約需要一天時間，因此角速度約為每秒7.29 x 10-5弧度。

角速度與線速度不同，用于衡量旋轉(zhuǎn)速度。（弧度是衡量旋轉(zhuǎn)大小的單位，與角度是兩個不同的概念。）如果兩個人在同一根旋轉(zhuǎn)臂上旋轉(zhuǎn)，兩者角速度相同（假設(shè)均為1弧度每秒），但離旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的人移動速度更快。假設(shè)其中一人距旋轉(zhuǎn)中心1米，另一人距離中心3米，二者的速度就分別為1m/s和3m/s。地球自轉(zhuǎn)也是同理，只要距地球足夠遠(yuǎn)，地球自轉(zhuǎn)便能使你達(dá)到圍繞地球旋轉(zhuǎn)所需的軌道速度。

不過事實(shí)上，距地球越遠(yuǎn)，軌道速度就越低。隨著到地表的距離從400公里增加到800公里，軌道速度會從7.7km/s下降到7.5km/s?？瓷先ニ坪醪顒e不大，但別忘了，這里最重要的是軌道半徑、而非到地表的距離。雖然從理論上來說，你可以建起一座足夠高的高塔，只要從塔頂步入太空，便可進(jìn)入軌道旋轉(zhuǎn)。但這座塔的高度得達(dá)到36000公里，根本不可能實(shí)現(xiàn)。

海拔36000米的軌道其實(shí)有個特殊的名字——地球同步軌道，意味著該軌道上的物體旋轉(zhuǎn)一圈所需的時間與地球自轉(zhuǎn)一圈剛好相同。如果將物體送入赤道正上方的地球同步軌道，其相對于地表的位置將永遠(yuǎn)不變。（這樣的軌道又叫地球靜止軌道。）這點(diǎn)很有用，因?yàn)槲覀冸S時可以找到地球靜止軌道上的物體，大大簡化了我們與電視衛(wèi)星、天氣衛(wèi)星、或者負(fù)責(zé)監(jiān)控地表特定區(qū)域的衛(wèi)星之間的通訊交流。

再說回太空電梯。如果我們無法讓電梯“拔地而起”，能否反其道而行之、從地球靜止軌道上垂下一根36000公里長的纜繩呢？這樣不也算是太空電梯嗎？

要想成功，位于地球靜止軌道上的纜繩固定物必須質(zhì)量足夠大，要么是座空間站，要么是顆小行星，這樣每當(dāng)有物體沿著纜繩攀升時、才不會將固定物往下拉。

但看到這兒，想必你已經(jīng)能看出太空電梯的問題出在哪里了：誰會愿意打造一根長達(dá)36000公里的纜繩呢？要想達(dá)到這樣的長度，即使是最強(qiáng)韌的材料（比如凱夫拉爾纖維），也必須做得極粗、才不會斷裂。當(dāng)然，纜繩越粗，下掛的質(zhì)量就越大，這就意味著纜繩的上半部分必須做得更粗、才能承擔(dān)下半部分纜繩的重量。如此看來，這種設(shè)想根本不可能實(shí)現(xiàn)。要想成功造出太空電梯，只能寄希望于未來找到某種超強(qiáng)、超輕材料，比如碳納米管。也許我們有朝一日能化想象為現(xiàn)實(shí)，但短期內(nèi)肯定無法實(shí)現(xiàn)。

如果電梯纜繩掉下來怎么辦？

在《基地》第一集中，有人引爆了炸彈、使太空電梯頂端的站臺與纜繩的其余部分脫離開來。纜繩落回地球表面，的確造成了一定破壞。

那么在現(xiàn)實(shí)生活中，如果太空電梯的纜繩真的發(fā)生墜落，又會發(fā)生什么事情呢？假設(shè)將纜繩分為100段，每一段都在圍繞地球運(yùn)動，但角速度均與地球相同。如果是現(xiàn)實(shí)中的太空電梯纜繩，我們還需要考慮每段纜繩之間的張力。但在簡化版模型中，我們只考慮各段纜繩受到的地球引力。

接下來會發(fā)生什么呢？由于不考慮各段纜繩之間的張力，纜繩的下半截會墜落到地球表面，可能會造成嚴(yán)重破壞。在本次采用的模型中，這部分纜繩落回地面后，包住了三分之一的赤道。盡管從理論上來說，纜繩的長度足以圍著地球繞上一整圈，畢竟地球的周長只有4萬公里。

但并非整根纜繩都會墜落到地面上。如果纜繩片段開始時的高度足夠高，在下落過程中，隨著它們離地表越來越近，速度也會越來越快。如果下落速度足夠快，它們或許能形成一條非圓形軌道、圍繞地球旋轉(zhuǎn)。對住在赤道上的人來說，這是件好事，畢竟這些碎片可以停留在太空中、不會砸到他們腦袋上。

當(dāng)然，如果纜繩依然完整，每個片段之間都會相互拉扯，因此墜落到地球上的纜繩會更長。但纜繩之間的拉力遲早會強(qiáng)到將纜繩扯斷，最終還是會產(chǎn)生大量太空碎片。

所以總而言之，太空電梯搭建起來不僅十分困難，還有纜繩斷裂和掉落的風(fēng)險。我們或許應(yīng)該慶幸，目前我們還停留在利用化學(xué)火箭探索太空的階段。

本文來自“新浪科技”，作者：葉子,36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 纜繩 太空 電梯