刘慈欣谈太空电梯和数字永生是什么

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刘慈欣谈太空电梯和数字永生是什么?

在《流浪地球2》中，行星发动机、太空电梯等科技元素让人深感震撼。科幻作品中的未来科技会成真吗?科幻作家刘慈欣介绍：“太空电梯从理论上来说没有任何悬念，现实中最大的障碍是材料，目前强度最高的材料最多只能升到200公里;而数字永生涉及信息技术和脑科学，我们对大脑的认识和研究进展很慢，并未真正了解。”

太空电梯能实现吗?

春节档《流浪地球2》热播，又掀起了一波科幻热。在这部电影中，有一种建筑非常有趣，那就是太空电梯。

在电影中，只要乘坐太空电梯，就可以直升入太空。太空电梯的概念在刘慈欣的另一部作品《三体》中也有所提及，可见它确实是未来的趋势之一。

那么，现实生活中，真的有可能会出现这样的建筑吗?

说起来你可能不信，太空电梯的概念在一百多年前就已经有了，被后世誉为“航天之父”的前苏联科学家齐奥尔科夫斯基提出了这个设想。

时至今日，太空电梯不仅仅是科学家灵机一动提出的设想，更是具有极高的价值。国际宇航科学院(IAA)曾经分析过，如果太空电梯能够实现，那么人类将地球上的物品送到太空的成本将会由每公斤20000美元降到仅仅500美元，可以说降幅相当可观。

除此之外，太空电梯也更加便捷。在这里发射航天器，可以利用地球的自转直接获得巨大的线速度，大幅提高人类的航天能力，帮助我们更快地建设空间站、太空发电站等设施。

因此，早在1999年的时候，美国宇航局就曾经认真考虑过这项技术。近些年来，也有其他一些机构尝试建造。

想要建造太空电梯，首先要想的就是建在哪、通向哪的问题，这两个问题其实是同一个问题。

太空电梯的终点必须和地面保持恒定的相对位置，否则电梯就会损坏。也就是说，它的终点只有一个，那就是地球同步轨道上的卫星。如果是其他轨道的卫星，就会因为运行而脱离太空电梯。更不要提太空电梯直通月球了，地球自转周期是一天，月球公转周期是一个月，这样的电梯必然会折断。

因此，太空电梯只能建在赤道，并且为了触及地球同步轨道，其高度必须达到36000公里。对，你没看错，是公里。

这么高的距离，就算太空电梯再快，花费的时间也不少。有人认为，太空电梯的时速可以达到200公里，即便速度这么快，也要7天左右才能完成一次单程。

问题在于，别看地球赤道的周长有差不多40000公里，实则陆地非常少，大部分都是海洋。好在根据科学家的分析，太空电梯不一定要建造在陆地上，也可以建设海面基站。

即便如此，海面基站的选址也要考虑地震带等问题。目前公认比较好的选址，就是国际日期变更线(也就是180°经线，大部分位于太平洋)以东、美洲大陆以西的区域。

这是在地球，科学家甚至已经畅想未来人类在月球、火星、土卫六等天体上建造太空电梯的画面了。如果人类真的能够占领太阳系其他天体，那么同样需要发射航天器，同样需要降低发射成本，自然也就有太空电梯发挥的舞台。

为什么太空电梯这么好，却直到现在都没有投入使用呢?答案很简单，那就是难度太大了。别说实际操作，仅仅从理论上，人类目前就无法实现太空电梯。别的不提，仅仅是材料，目前就没有。

按照大家的直觉，太空电梯只要把缆绳从太空投下来不就行了吗?虽然36000公里有点长，但是咱们慢慢建造呗。可是，人类不仅是造不出这么长的缆绳，就算是能造出来，缆绳也不能用，因为目前的材料都太脆弱了。

你能想到的材料，第一个自然是钢铁。不过，当它足够长的时候，仅仅是自身的重力，就足以将它拉断。就算加粗，也没有任何效果，因为重量也增加了。研究表明，钢铁的断裂长度仅有6.4公里，远远达不到太空电梯的要求。

目前人类已知能够用来建造太空电梯的材料，大概就只有碳纳米管了。碳纳米管不仅材质结实，而且非常轻，许多物理、化学性能也都非常优异，被科学家们寄予厚望。

这种材料好则好矣，还是有其严重的缺陷的，那就是人类还很难制备这种材料。2013年，清华大学的一支团队制备出了迄今为止最长的一根碳纳米管，其长度也仅有0.5米，距离36000公里有天壤之隔。就算人类能造出这么长的碳纳米管，我们也只能保证其强度达标，其他方面的性能如何，仍然有待验证。

除了碳纳米管之外，还有一种材料有足够的强度，这种材料叫碳炔。和碳纳米管相比，碳炔更过分，因为这种物质早在1885年就被预言，直到今天别说制备，连发现都还没有发现……

太空电梯面临的问题不止这一个，还有很多。想一想，我们如何能够将物体垂直送到3.6万公里的高空呢?目前，科学家们提出了三种方案，第一种是像传统电梯一样的动力;第二种是像火箭一样利用助推器升空，《流浪地球2》中的太空电梯就有这样的助推器;第三种是利用激光。不论是哪一种方法，都有一定的缺陷，目前还无法解决。

哦对了，我们一直在提的36000公里，还只是同步卫星的高度。实际情况是，为了保持平衡，防止太空电梯被甩出去，卫星还要朝上方甩出一定的长度作为配重。这个长度目前说法不一，比较普遍的说法是长达100000公里，也就是地月距离的1/4左右，这对人类来说就更加难以实现了……

还有，太空电梯这么高，怎么保证它的安全性?除了大气层内的飞机之外，还有太空中的航天器，都要避开太空电梯。这些飞行器至少还有动力装置，但太空中还有数以万计的太空垃圾，有些能够追踪，有些甚至连看都看不到。别看它们体型小，一旦撞上太空电梯，造成的破坏是我们无法承受的，这些问题又该如何解决?

因此，太空电梯的选址安排在海上反而有优势，那就是可以更加灵活地躲避太空垃圾。像《流浪地球2》那样在陆地上建造太空电梯，确实不太安全。即便人类能清理太空垃圾，还有各种近地小天体的威胁存在。另外，如果电影里的太空电梯建在海上，空间站坠落时造成的伤亡也会小得多。

总而言之，太空电梯有它独特的优势，但和其他航天技术相比，它距离实现还太过遥远。等到人类的科技达到建造太空电梯的水平时，其他方面的航天能力恐怕也更加强大。

根据NASA先进概念研究所(NASA Institute for Advanced Concepts，简称NIAC)的预算，第一座太空电梯的造价可能达到400亿美元。而真正尝试太空电梯技术的日本建筑公司大林组曾经提出，要在2050年左右实现太空电梯的技术。不过，这两个数据的可靠性，都值得推敲，大林组目前的研究进度更是没什么新闻，估计是路越走越窄了。

和太空电梯相比，还是月球基地更接近现实一些，至少十年之内我们差不多就能动工了。如果真的按照《流浪地球》的时间线发生灾难，人类是来不及建造太空电梯的。

太空电梯能变成现实吗?

一条条缆绳直通天际，方型轿舱以每小时数百公里的速度向太空攀升……电影《流浪地球2》中出现的太空电梯震撼了不少观众，人们也憧憬着这样一条“太空天路”能在未来成为现实。太空电梯的概念早在100多年前就已经被提出，加拿大凡尼尔学院物理学教授史蒂芬·科恩十几年来一直从事相关研究，28日，在接受《环球时报》记者专访时史蒂芬·科恩表示，如果人类真的希望成为太空居民，那么太空电梯是目前取代火箭的最佳选择。科恩认为，建造太空电梯需要大量技术突破与全球范围的合作，目前还很难预测何时能够建成。

科恩告诉《环球时报》记者，太空电梯是一种“革命性”的地球-太空运输系统。根据设想，太空电梯的主体是一条长达3.6万公里的缆绳，它将把赤道附近的浮动平台与同步卫星相连。由于引力和离心力处于一种平衡状态，因此太空电梯可以保持稳定。通过缆绳，人和物可以被送入太空。

科恩说，相比当前使用的火箭，太空电梯有若干优点。例如火箭发射需要携带大量燃料，如果使用以太阳能为能源的太空电梯，那么执行太空任务的成本将大幅下降。对于航天员而言，太空电梯也将比一次次火箭发射更加安全。与此同时，太空电梯有望让每个人都可以进行负担得起的太空旅行。

公开资料显示，早在19世纪末期，被誉为“航天之父”的俄国科学家齐奥尔科夫斯基就曾提出太空电梯的设想，提出在地面上建设一座直抵地球同步轨道的超高型铁塔，以架设电梯的方式实现进入外层空间。在人类开始进入太空后，苏联工程师尤里·阿尔楚塔诺夫设想过建设一条空地间的“电力火车”来实现太空物流运输。此后，美国科学家杰罗姆·皮尔森首次将太空电梯的概念理论化。

随着科技的进步以及人类探索太空的需求增长，近年来，科学家和工程师开始尝试将太空电梯从小说带入实验室。2012年，日本著名建筑公司大林组曾宣布要投资100亿美元建设太空电梯。

2004年以来，科恩一直对太空电梯保持关注，并就这一系统涉及的力学问题发表多篇论文。据科恩介绍，各方对太空电梯的一些初步研究已经在开展，包括总体设计、动力学以及该系统建成后可执行的任务等。他补充表示，在上世纪曾多次进行的系留卫星(系绳卫星)任务也为太空电梯积累了一些经验。

在去年11月举行的2022空间技术和平利用(健康)国际研讨会上，国际太空电梯联盟主席、国际宇航科学院院士彼得·斯旺曾介绍称，根据目前设计，太空电梯轿厢重约20吨，攀爬速度约为每小时200公里。未来，随着缆绳加长、轿厢攀爬速度加快，预计8天可到达地球同步轨道，14天可到达月球，61天可到达火星。

尽管如此，太空电梯的设计和建造仍然面临大量挑战，其中需要解决的核心问题就是缆绳的材料。由于缆绳会随着同步卫星一起高速转动，巨大的向心力产生拉扯，对缆绳材料的强度要求极高。根据中科院物理所近日发布的一篇科普文章，经计算，缆绳需要承受的最大应力至少要达到400 GPa，而钢的抗拉强度只有400 MPa，相差1000倍。

科恩告诉《环球时报》记者，除强度外，缆绳的材料还需要具备低密度、能快速制造、成本合理等特点，材料的导电性、导热性等也需要考虑。目前来看，某种石墨烯产品在未来可能会满足所有需求。公开报道显示，当前最近接天空电梯缆绳要求的材料是碳纳米管，这是一种由碳原子组成的管状结构纳米材料。2013年，清华大学魏飞教授团队将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上后，成功制备出了单根长度超过半米，且具有完美结构的碳纳米管。

找到合适的缆绳材料仅仅是太空电梯需要解决的庞大问题的一环。科恩提到，太空电梯需要面临的另一个主要挑战是太空垃圾，主要是卫星等产生的碎片。这一问题必须得到彻底解决，否则将是太空电梯的一个“大麻烦”。

科恩坦言，他并不能预测太空电梯何时能成为现实。“从技术的角度，可能需要二三十年，而且这一项目将非常昂贵，难以获得投资回报。”科恩说，另一方面，太空电梯需要全球范围内政府和企业的共同努力，而达成这种合作可能比建造技术的挑战更加艰巨。