《流浪地球2》里的“天梯”真的能建成吗？

本文经授权转载自

科普中国

（ID：Science_China）

作者｜范岗

电影《流浪地球2》片长达到了三个小时，其容量之巨不是白给的，光是第一个用来铺垫气氛的灾难，换做别处怕是就能撑起全篇了。这个打头灾难里，倒霉的是在各种科幻作品里都很容易倒霉的“太空天梯”。

图片来源：《流浪地球2》电影预告截图

所谓太空天梯，有时也朴实地称为太空电梯， 是一种假想的进入太空的方式。普通的楼和梯子抗压强度不够，堆不了几千米高就会塌，无法像童话里的豌豆藤那样直接升上太空。但是，很多材料的抗拉能力远胜过抗压。假如人类在同步轨道上用非常抗拉的材料修一座梯子，悬垂到地面上，可以让这梯子与地面相对静止，于是就可以沿着这梯子爬上太空。

在《流浪地球2》里，人类在加蓬首都利伯维尔附近修建了一座天梯——这很符合物理规则。利伯维尔几乎在赤道上，而标准天梯需要修在赤道上。这是因为 空间站处于赤道上方，在赤道上建造天梯，可以保证上下位置同步，并且可依靠地球赤道的离心运动产生的加速度， 与地球重力保持天梯的受力平衡。而如果选择在其他纬度建立天梯，那么还需要有额外的手段来保证天梯不会因为受力不均而被撕裂。片中一群候补航天员乘坐太空天梯前往空间站接受训练，被高达9 g（g为重力加速度，9 g可以简单理解为有8个和你一样重的人压在你身上）的加速度折磨得要死要活之时，天梯却遭遇了恐怖分子的袭击，更有三个恐怖分子潜伏在了轿厢里。于是，两位主角就只能一边和轿厢里的恐怖分子拳脚相加打得死去活来，一边看着窗外无人机和战斗机上演狗斗烟花秀。

话说，明明轿厢里坐了好几十个航天员，他们都不是贪生怕死之辈，身体素质也足够好，为何打三个没有武器的恐怖分子如此费劲呢？原来为了在高g条件下保护航天员， 每个人都被过山车一样的安全装置锁得死死的，大部分人根本出不来，只能在座位上干瞪眼，只有少数人机缘巧合得以解开安全装置，可以和恐怖分子打上一打。

不过，如果把这段旅途交给合格的航天工程师，大概就不会这么费劲了。 因为太空天梯其实根本就不需要这样的高g条件，也不需要这么繁琐严密的安全装置——硬要搞成电影里这样，反而完全失去了天梯的意义。

图片来源：《流浪地球2》电影预告截图

天梯的意义是啥呢？

想象一下如果你要上五层楼。假如有楼梯，那很简单：一步迈一个台阶，下一步迈另一个。每一步都只需要很少的能量，短暂地用支持力克服重力，把人体推上个几十厘米。就算身体非常虚弱的人也没关系，只要力气足够迈上一步台阶，就能最终爬上五楼——大不了多花点时间嘛。

但是如果没有楼梯，那可就难了。人脚一旦离地，就无法再继续提供向上的力，所以必须在蹬地的零点几秒里，一口气把足以登顶的能量全部释放出来， 考虑到上升的过程中还需要克服空气阻力，所以，所需能量还要更多。超人可以一跳跳到五楼，普通人可拿不出那么大的功率。虽然都是从一楼到五楼，需要克服的重力势能总量相同，但一个非常容易，一个难如登天。

天梯的原理和楼梯当然不太一样，但实际效果是几乎相同的。如果没有天梯，人类上天就需要火箭，而火箭的升空，需要通过不断释放气体产生推力，让火箭依靠推力的反作用力升天，这搞不好就炸了。相反，有了天梯，就可以把这巨大能量拆分成许多小份，对动力要求低，浪费的程度也小。 理论上说，如果真的有一架连通太空的楼梯，你一个台阶一个台阶走上去，也是可以的。人类长程爬楼梯的世界记录是12小时爬13145.65米高的楼梯。如果一个人能每天这么爬12小时休息12小时，进入太空（海拔100千米处是大气层与太空的交界处）也只需要一星期多点。（当然这要求楼梯间里有空气，每隔一段还得食物和水的储备）

图片来源：《流浪地球2》电影预告截图

此外值得专门提及的是，火箭之所以不好搞， 一个重要原因是火箭必须携带自己的燃料，而为了能带这些燃料上路又需要更多的燃料，如此反复虽不至于无穷（很多燃料路上烧掉了不用带全程）， 但也意味着送一吨物体上天往往需要10吨或更多的燃料。天梯没有这个问题——在地上造发电机然后全程给轿厢的电机通电就行了。

所以说，真正的太空天梯可以像高铁一样慢悠悠上天的，这才是它的最大优点。我们不知道片中宇航员的目标空间站距离地面多远，不过看起来好像不算很远——爆炸发生后没多久就掉下来了。假如这空间站的高度和现实中国际空间站差不多， 也即在400千米左右的高度，那么沿用高铁的速度， 只需一小时出头就可抵达，完全可以接受。用9 g那么大的加速度，纯属折腾人了——实际上，现实中的载人火箭发射时加速度也不过3-4 g而已。

更何况，哪怕目的就是要折腾这帮没有医保的候补宇航员，那好歹也该用个给高g设计的轿厢啊——电影里的轿厢，似乎也有点问题。

图片来源：《流浪地球2》电影预告截图

第一个问题就是外形。作为一个需要承受9 g加速的物体，轿厢的上下面居然是平的。这里就有问题了。

火箭要长成火箭的样子，很大程度上就是为了减少空气阻力，提高能量效率。空气阻力和速度的平方成正比，所以只在高速的时候需要考虑。 正常火箭必须抵达每秒几千米到每秒十几千米的超高速，需要承受巨大的空气阻力，做一个扁盒子火箭肯定是划不来的。

太空天梯的轿厢本来没有速度要求，慢悠悠上去也行，那种情况下，做个扁盒子没毛病。但是，既要盒子又要高速就不行了。片中只展示了下行时轿厢底部撞击大气层产生的火光，上行却安然无恙，这非常奇怪，毕竟视觉上看上行和下行的速度没有明显区别，应该同样有巨大阻力、同样冒火才对。

当然视觉判断是不准确的，也可能实际上轿厢速度很低——但这样就更奇怪了， 高g的用途就在于尽快抵达高速，9 g的加速度下百公里加速只需0.3秒。用高g却不要高速，凭空吃了一堆坏处却毫无好处。这显然是没道理的。

第二个问题更加严重，值得展开阐述： 那就是宇航员的座椅朝向不对。

现在，大家都知道宇航员上天要经历加速度训练了，训练可以让人不那么容易晕眩呕吐或昏迷，但再怎么练也还有物理和生理极限拦在前面。 人的身体是在1 g的环境中演化出来的，人体所有零部件的机械强度都只适应这个环境，而其中最脆弱的环节恐怕莫过于血液。哪怕在1 g的环境下血压控制的失败每年都夺走很多人的生命，高g环境下就更难了。

当面临向上的加速度时，血会变得非常“重”，往站姿和坐姿的人脚底方向流动，这就会导致脑缺血。一般来说普通人承受向上的5个g不能超过一两分钟，然后就会昏迷。 当代战斗机飞行员可以短时间最大承受9 g左右，但那除了长期训练还需要特殊的增压服的帮助，在腿部和腹部用许多气囊加压把血液顶回去，有时还需要胸部调压来辅助呼吸。以片中人打斗时的流畅姿势来看，不像是有增压服的样子（当然也可能是20年后的增压服变得超高级了）。

图片来源：《流浪地球2》电影预告截图

这还不是最糟的，更加可怕的是天梯下降时，即将接触地面做减速运动产生的负加速度，这会让血液会反过来涌向大脑。这样倒不至于脑血管当场爆裂而死—— 人体对脑血压的增加极为警惕，颈动脉窦一察觉血压异常就会赶紧叫停，可是加速度不听它指挥，它能做的只有不断降低心跳速度和动脉压。 结果异常的血液无法维持动静脉之间的含量氧差异，会先因为缺氧而昏迷。总之，人对天梯下降时的负加速度忍耐力还要更低。

飞行员需要空中机动那是没有办法，但宇航员上天的旅程非常单纯，硬要他们死抗9 g加速不但毫无必要，而且万一出了什么故障连安全余量都没有，绝对不会得到工程师的同意。再说，要解决这个问题，办法其实简单到离谱：只要让人躺着上天就行了。

躺/趴姿的情况下，人的大脑和心脏基本处于同一高度，血液变重带来的影响就大幅缩水。这不是说没有问题，人的呼吸系统还是会遭受不小压力，血氧浓度降低，视力也会明显下降，四肢也无法自由活动，但熬过一两分钟的十几个g还是没啥问题的。如果有条件二选一的话， 那“躺着加速、趴着减速”更好，这种姿态下对视网膜血管压力最小。

当然，一群人在轿厢里躺着，不但显得很傻，也非常占地方，普通的低g天梯轿厢选择过山车一样的座位设计是可以理解的。不过，普通轿厢就别硬逼着人上9g了吧。这么违规超负荷运行就算没有人蓄意破坏，自己也会解体的。

审核｜周晓亮 北交大物理实验室高级工程师