年初二晚上跟家人一起看了期待已久的《流浪地球 2》，首先表明立场：是个好片，没有让我失望，电影工业化水准超过了第一部，推荐观影。这部影片中可以聊的科学话题非常多，春节前就着预告片已经聊了⌈数字生命⌋的话题，今天想重点聊一下⌈太空电梯⌋。
太空电梯是《流浪地球 2》故事开端最重要的背景元素之一，镜头做得真的很逼真、很酷炫，给我留下了很深的印象。尽管太空电梯的概念已经提出有 128 年了，由俄罗斯火箭之父齐奥尔科夫斯基最早提出，但这次恐怕是影史上第一次如此逼真地展现太空电梯（若有遗漏，欢迎留言补充）。或许太空电梯的概念有点违反直觉，怎么能有一根悬在空中不会掉下来的绳子呢？其实，这样的绳子在科学上是完全成立的，只要它足够长。
太空电梯概念图
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太空电梯用最简化的版本来说，就是在地球的同步轨道卫星上垂一根长长的绳子，一直垂到地面。所谓地球同步轨道卫星，就是在赤道上空 3.6 万千米的高度运行的卫星，比如著名的星链卫星。在这个高度上，卫星的飞行速度刚好能和地球自转保持同步，所以，从地面上看过去，这颗卫星就好像静止在天空中一样。相对地面静止，是建设太空电梯的必要条件之一。从同步轨道卫星上垂下绳子，然后在这根绳子上再装一个可以升降的电梯轿厢，就成了一部可以一直升到太空中的电梯了。不过，上面那个简化版本忽略了一个非常重要的问题——绳子本身的质量，一根长达 3.6 万千米的绳子的质量是不能被忽略的。在简化设计中，绳子加上同步卫星的共同质心肯定会在同步轨道高度以下，这就无法保证太空电梯整体上和地球自转保持同步。那要怎么办呢？解决方案也简单，就是把这根绳子继续加长，一直延伸到卫星的上方，再连接一个巨大的配重物体，使得所有连在一起的物体的共同质心刚好落在地球同步轨道上，这样问题就解决了。
科学原理上一点都不复杂，但工程难度却恐怖到令人望而生畏，有无数工程难题需要解决，其中最难最难的是那根长达 3.6 万千米的缆绳。
"Space Elevator GEO Station" by FlyingSinger is licensed under CC BY-NC-SA 2.0.我要先给你解释一个单位：尤里（Yuri），它是以太空电梯的另外一位重要提出者尤里·阿特苏塔诺夫的名字命名的。这个单位代表了材料的强度，也就是单位面积能够承受的极限力与材料的密度之比。尤里越大，则材料也就越不容易断裂。经常被用来做眼镜腿的钛合金的强度大概是 30 万尤里，美国杜邦公司发明的超强材料⎡凯夫拉⎦的强度大约为 250 万尤里。而要成为太空电梯的缆绳，根据计算，它的强度应当介于 3000 万到 8000 万尤里之间。凯夫拉的强度至少还差了 10 多倍。现在看来，前景最为乐观的候选材料名为碳纳米管。它的结构是碳原子排列成形似一根吸管的分子，直径小于头发丝。如果工艺完美的话，在理论上，碳纳米管的强度能达到 5000 万到 6000 万尤里的水平，可以用作太空电梯的缆绳。不过，这种材料的制造难度非常高。我国目前保持国际领先水平，2013 年，清华大学的魏飞教授团队成功制造出了世界上最长的碳纳米管，但它的长度仅仅只有 0.5 米左右。截止到我写稿时，没看到有新的记录产生，而太空电梯的缆绳长度至少需要 3.6 万千米，差距依然是极其巨大的。
总之，结论就是，太空电梯原理简单，但工程技术难度超高，目前还遥不可及。让我们回到电影《流浪地球 2》上来。我想从自己的角度说说电影中所表现的太空电梯，有哪些是属于为了剧情和视觉需要而幻想出来的。注意，这不是吐槽电影，我自己也偶尔创作科幻小说，我深知有时候为了艺术表现或故事情节的需要，不得不牺牲一定的科学性，我只是想借着电影情节来做一些科普，让大家了解一下真实世界更有可能会是怎样。在电影中，太空电梯的轿厢就像是一架小型的火箭，升空的时候能产生 9 个 G 的加速度。我敢说，未来如果真有太空电梯，多半不是这样的。
且不说，现在的火箭在升空时能达到 3 个 G 左右的加速度就已经很不错了，9 个 G 的加速度，实在太超前，也没有必要。但更关键的问题是，太空电梯最大的优点是可以摆脱第一宇宙速度的束缚，实现低速航空。如果太空电梯的轿厢使用火箭推进器来升空，那就好像汽车必须要马拉着才能跑一样怪异。宇宙速度的这个概念，最早是牛顿提出来的。他设想在一座高高的山顶上，放一门加农炮，然后发射炮弹。假设忽略空气阻力的影响，那么炮弹的出膛速度达到了第一宇宙速度，这颗炮弹就会成为地球的一颗卫星，如果达到第二宇宙速度，那么这颗炮弹就会飞离地球，永远回不来了。请注意，宇宙速度计算成立的前提条件是炮弹一旦出膛后，就不再受到任何外力作用，完全靠惯性飞行。只有在这个前提条件下，宇宙速度的概念才是成立的。但假如炮弹可以有持续的动力源来推进，那它无需达到第一宇宙速度，就可以轻易飞出地球。你还可以想象一下，假如地月之间有一根绳子连着，忽略寿命等其他因素影响的话，那连一只蜗牛也可以爬到月球，跟快慢无关。人类航天事业目前之所以成本如此高昂，根本原因是我们找不到一个可以持续提供大推力的动力源，火箭的燃料几分钟就烧完了，并且还把最大一部分能量消耗在了克服自己本身的重力上，摆脱地心引力的成本实在太高。太空电梯最大的诱人之处就在于，有了缆绳之后，就可以通过电磁力，把电梯慢慢地拉到太空中，不受宇宙速度的限制，也不需要携带又重又贵又低效的燃料。所以，假如未来真的能造出太空电梯，不太可能还需要用火箭推进，这感觉就马拉汽车无异。
另一个与大多数人直觉相反的科学事实是，当太空电梯升到现在的天宫空间站的高度时，我们几乎感觉不到失重。在太空电梯的上升过程中，除了在启动阶段有一小会儿因为电梯的加速度而产生微弱的超重感，在电梯匀速运行后，即便已经升到了可以看清地球全貌，像是来到了太空的时候，我们也不会有明显的失重感。这是因为电梯一直要上升到离地面 3.6 万千米的同步轨道时，重力才会从地面上的一个 g 逐渐匀速减少到零。在太空电梯与天宫空间站擦肩而过的时候，我们会看到一个奇景——空间站里面的人是失重的，在那儿飘来飘去，而太空电梯中的我们还稳稳地坐在椅子上，几乎感觉不到失重。这是因为，天宫号空间站的轨道高度大约是 300 公里左右，这个高度还不到地球同步轨道高度（3.6 万公里）的 1%。宇航员在天宫号上之所以会失重，是因为天宫号绕地球运行的速度要远远高于太空电梯， 天宫号 90 分钟就会绕地球转一圈，而太空电梯的绕地速度是恒定的 24 小时一圈，相差了 16 倍。宇航员在天宫号上失重的原因是重力恰好等于旋转的向心力（或者说是离心力抵消了重力）。更直观的理解方式是，天宫号其实也是在做自由落体运动，只不过因为下落的同时还有一个水平方向的速度，使得天宫号永远落不到地上，只会绕着地球转圈。
有了这个知识后，我可以引出下一个观点：要攻击太空电梯，远不需要电影中表现的那么麻烦——先来一波蝗虫般的无人机进攻，再来一波太空导弹。如果kb分子真的混进了轿厢想要搞破坏，只需要在抵达地面 500 公里左右的时候，向窗外扔一些金属块出去，甚至可以是就地取材，把轿厢中的一些重物扔出去。这时候，金属块会以近似于自由落体加速度下落，高速撞击地面时，理论上每扔下一千克的金属块就能产生相当于 100 千克 TNT 炸药的爆炸威力，这个威力我就不再解释有多大了，反正炸断缆绳肯定是够了。当然，这不是最佳的破坏方式，因为缆绳从底部断裂，并不会导致太空电梯整个坠毁。你可以想象成你从高处垂下的一根绳子，和地面的连接处被剪断了，绳子依旧会悬垂着，并不是多大的损坏，只要再接上就修复了。
《流浪地球2》太空电梯危机，来源：网络
破坏太空电梯的最佳方式是在 3 万千米左右的高度，把缆绳给炸断，这时候，这根长达 3 万千米的缆绳就会在自身重力作用下向地表坠落，足以对太空电梯造成毁灭性的破坏。假如你能活到太空电梯梦想成真的那天，搭乘太空电梯进行太空旅游，将会是一次很不错的体验。首先，在太空电梯上升过程中，我们不必承受过大的重力加速度。而且这趟旅程完全没必要升到同步轨道的高度，那样的花的时间太长了，只要升到天宫号的高度或者更高一点，就可以饱览太空美景并返回了。在这个过程中，我们几乎感觉不到失重。当然，你也有可能就是为了体验一下失重才去太空旅游。这也很好办，只要让电梯在返回的时候做自由落体运动，失重感立刻就来，并且太空电梯可以灵活控制失重的时间，让人们既能体验失重，又不至于时间过长而晕吐的一塌糊涂。我估计这么来回一趟的票价，差不多也就是相当于现在的人民币 1 万元就够了。理性地说，我不认为我能活到那一天。但在考虑了众多廉价航空方案后，我的观点是，只有太空电梯这个方案是可行的。也只有这个方案，才能使得人类有可能建设巨大的太空定居点或者太空飞船，而这两样东西是人类离开地球摇篮，进入更深远宇宙空间所必需的。基于这个逻辑，使我坚信，太空电梯的落成必将成为人类文明史上的又一块里程碑。
最近也看了不少强烈批评《流浪地球 2》的观点，比如电影中透出来的价值观等等。我有点不理解为啥看电影就不能图个“观影体验”去看，非得去挖深层次的价值观啥的。《流浪 2》 的定位本来就是一部商业电影（也可以叫爆米花电影，更注重的是体验），又不是文艺片，不喜欢里面的价值观可以一笑了之（有些我也不喜欢），但观影体验好也值得看啊。看文艺片可以在家里对着电视或者手机看就好了，干嘛要跑电影院，电影院现在存在的价值不就是大荧幕、杜比全景声、心安理得吃爆米花、带家人一起放松、建立男女感情等等嘛。抛开这些卖点，花钱去电影院干嘛呢，窝在被窝里刷手机不是更香吗？你觉得呢？
