《流浪地球2》里的“天梯”真的能建成嗎？

電影《流浪地球2》片長達到了三個小時，其容量之巨不是白給的，光是第一個用來鋪墊氣氛的災難，換做別處怕是就能撐起全篇了。這個打頭災難里，倒霉的是在各種科幻作品里都很容易倒霉的“太空天梯”。

所謂太空天梯，有時也樸實地稱為太空電梯，是一種假想的進入太空的方式。普通的樓和梯子抗壓強度不夠，堆不了幾千米高就會塌，無法像童話里的豌豆藤那樣直接升上太空。但是，很多材料的抗拉能力遠勝過抗壓。假如人類在同步軌道上用非?？估牟牧闲抟蛔葑樱瑧掖沟降孛嫔?，可以讓這梯子與地面相對靜止，于是就可以沿著這梯子爬上太空。

在《流浪地球2》里，人類在加蓬首都利伯維爾附近修建了一座天梯——這很符合物理規(guī)則。利伯維爾幾乎在赤道上，而標準天梯需要修在赤道上。這是因為空間站處于赤道上方，在赤道上建造天梯，可以保證上下位置同步，并且可依靠地球赤道的離心運動產(chǎn)生的加速度，與地球重力保持天梯的受力平衡。而如果選擇在其他緯度建立天梯，那么還需要有額外的手段來保證天梯不會因為受力不均而被撕裂。片中一群候補航天員乘坐太空天梯前往空間站接受訓練，被高達9 g（g為重力加速度，9 g可以簡單理解為有8個和你一樣重的人壓在你身上）的加速度折磨得要死要活之時，天梯卻遭遇了恐怖分子的襲擊，更有三個恐怖分子潛伏在了轎廂里。于是，兩位主角就只能一邊和轎廂里的恐怖分子拳腳相加打得死去活來，一邊看著窗外無人機和戰(zhàn)斗機上演狗斗煙花秀。

話說，明明轎廂里坐了好幾十個航天員，他們都不是貪生怕死之輩，身體素質也足夠好，為何打三個沒有武器的恐怖分子如此費勁呢？原來為了在高g條件下保護航天員，每個人都被過山車一樣的安全裝置鎖得死死的，大部分人根本出不來，只能在座位上干瞪眼，只有少數(shù)人機緣巧合得以解開安全裝置，可以和恐怖分子打上一打。

不過，如果把這段旅途交給合格的航天工程師，大概就不會這么費勁了。因為太空天梯其實根本就不需要這樣的高g條件，也不需要這么繁瑣嚴密的安全裝置——硬要搞成電影里這樣，反而完全失去了天梯的意義。

天梯的意義是啥呢？

想象一下如果你要上五層樓。假如有樓梯，那很簡單：一步邁一個臺階，下一步邁另一個。每一步都只需要很少的能量，短暫地用支持力克服重力，把人體推上個幾十厘米。就算身體非常虛弱的人也沒關系，只要力氣足夠邁上一步臺階，就能最終爬上五樓——大不了多花點時間嘛。

但是如果沒有樓梯，那可就難了。人腳一旦離地，就無法再繼續(xù)提供向上的力，所以必須在蹬地的零點幾秒里，一口氣把足以登頂?shù)哪芰咳酷尫懦鰜?，考慮到上升的過程中還需要克服空氣阻力，所以，所需能量還要更多。超人可以一跳跳到五樓，普通人可拿不出那么大的功率。雖然都是從一樓到五樓，需要克服的重力勢能總量相同，但一個非常容易，一個難如登天。

天梯的原理和樓梯當然不太一樣，但實際效果是幾乎相同的。如果沒有天梯，人類上天就需要火箭，而火箭的升空，需要通過不斷釋放氣體產(chǎn)生推力，讓火箭依靠推力的反作用力升天，這搞不好就炸了。相反，有了天梯，就可以把這巨大能量拆分成許多小份，對動力要求低，浪費的程度也小。理論上說，如果真的有一架連通太空的樓梯，你一個臺階一個臺階走上去，也是可以的。人類長程爬樓梯的世界記錄是12小時爬13145.65米高的樓梯。如果一個人能每天這么爬12小時休息12小時，進入太空（海拔100千米處是大氣層與太空的交界處）也只需要一星期多點。（當然這要求樓梯間里有空氣，每隔一段還得食物和水的儲備）

此外值得專門提及的是，火箭之所以不好搞，一個重要原因是火箭必須攜帶自己的燃料，而為了能帶這些燃料上路又需要更多的燃料，如此反復雖不至于無窮（很多燃料路上燒掉了不用帶全程），但也意味著送一噸物體上天往往需要10噸或更多的燃料。天梯沒有這個問題——在地上造發(fā)電機然后全程給轎廂的電機通電就行了。

所以說，真正的太空天梯可以像高鐵一樣慢悠悠上天的，這才是它的最大優(yōu)點。我們不知道片中宇航員的目標空間站距離地面多遠，不過看起來好像不算很遠——爆炸發(fā)生后沒多久就掉下來了。假如這空間站的高度和現(xiàn)實中國際空間站差不多，也即在400千米左右的高度，那么沿用高鐵的速度，只需一小時出頭就可抵達，完全可以接受。用9 g那么大的加速度，純屬折騰人了——實際上，現(xiàn)實中的載人火箭發(fā)射時加速度也不過3-4 g而已。

更何況，哪怕目的就是要折騰這幫沒有醫(yī)保的候補宇航員，那好歹也該用個給高g設計的轎廂啊——電影里的轎廂，似乎也有點問題。

第一個問題就是外形。作為一個需要承受9 g加速的物體，轎廂的上下面居然是平的。這里就有問題了。

火箭要長成火箭的樣子，很大程度上就是為了減少空氣阻力，提高能量效率?？諝庾枇退俣鹊钠椒匠烧?，所以只在高速的時候需要考慮。正?；鸺仨毜诌_每秒幾千米到每秒十幾千米的超高速，需要承受巨大的空氣阻力，做一個扁盒子火箭肯定是劃不來的。

太空天梯的轎廂本來沒有速度要求，慢悠悠上去也行，那種情況下，做個扁盒子沒毛病。但是，既要盒子又要高速就不行了。片中只展示了下行時轎廂底部撞擊大氣層產(chǎn)生的火光，上行卻安然無恙，這非常奇怪，畢竟視覺上看上行和下行的速度沒有明顯區(qū)別，應該同樣有巨大阻力、同樣冒火才對。

當然視覺判斷是不準確的，也可能實際上轎廂速度很低——但這樣就更奇怪了，高g的用途就在于盡快抵達高速，9 g的加速度下百公里加速只需0.3秒。用高g卻不要高速，憑空吃了一堆壞處卻毫無好處。這顯然是沒道理的。

第二個問題更加嚴重，值得展開闡述：那就是宇航員的座椅朝向不對。

現(xiàn)在，大家都知道宇航員上天要經(jīng)歷加速度訓練了，訓練可以讓人不那么容易暈眩嘔吐或昏迷，但再怎么練也還有物理和生理極限攔在前面。人的身體是在1 g的環(huán)境中演化出來的，人體所有零部件的機械強度都只適應這個環(huán)境，而其中最脆弱的環(huán)節(jié)恐怕莫過于血液。哪怕在1 g的環(huán)境下血壓控制的失敗每年都奪走很多人的生命，高g環(huán)境下就更難了。

當面臨向上的加速度時，血會變得非?！爸亍?，往站姿和坐姿的人腳底方向流動，這就會導致腦缺血。一般來說普通人承受向上的5個g不能超過一兩分鐘，然后就會昏迷。當代戰(zhàn)斗機飛行員可以短時間最大承受9 g左右，但那除了長期訓練還需要特殊的增壓服的幫助，在腿部和腹部用許多氣囊加壓把血液頂回去，有時還需要胸部調(diào)壓來輔助呼吸。以片中人打斗時的流暢姿勢來看，不像是有增壓服的樣子（當然也可能是20年后的增壓服變得超高級了）。

這還不是最糟的，更加可怕的是天梯下降時，即將接觸地面做減速運動產(chǎn)生的負加速度，這會讓血液會反過來涌向大腦。這樣倒不至于腦血管當場爆裂而死——人體對腦血壓的增加極為警惕，頸動脈竇一察覺血壓異常就會趕緊叫停，可是加速度不聽它指揮，它能做的只有不斷降低心跳速度和動脈壓。結果異常的血液無法維持動靜脈之間的含量氧差異，會先因為缺氧而昏迷?？傊藢μ焯菹陆禃r的負加速度忍耐力還要更低。

飛行員需要空中機動那是沒有辦法，但宇航員上天的旅程非常單純，硬要他們死抗9 g加速不但毫無必要，而且萬一出了什么故障連安全余量都沒有，絕對不會得到工程師的同意。再說，要解決這個問題，辦法其實簡單到離譜：只要讓人躺著上天就行了。

躺/趴姿的情況下，人的大腦和心臟基本處于同一高度，血液變重帶來的影響就大幅縮水。這不是說沒有問題，人的呼吸系統(tǒng)還是會遭受不小壓力，血氧濃度降低，視力也會明顯下降，四肢也無法自由活動，但熬過一兩分鐘的十幾個g還是沒啥問題的。如果有條件二選一的話，那“躺著加速、趴著減速”更好，這種姿態(tài)下對視網(wǎng)膜血管壓力最小。

當然，一群人在轎廂里躺著，不但顯得很傻，也非常占地方，普通的低g天梯轎廂選擇過山車一樣的座位設計是可以理解的。不過，普通轎廂就別硬逼著人上9 g了吧。這么違規(guī)超負荷運行就算沒有人蓄意破壞，自己也會解體的。

作者｜范崗

審核｜周曉亮 北交大物理實驗室高級工程師