據國外媒體報導，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。我們不妨藉此機會想像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生了爆炸、可能會有什麼後果。

人類似乎很喜歡把東西送到大氣層以外，比如天氣衛星、空間站、GPS導航衛星、詹姆斯·韋伯望遠鏡等等。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爆炸，俗稱“火箭”。

火箭雖然很酷，但成本高昂、效率偏低。假設我們要將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：我們向一個系統中投入的能量（又稱為做功）與該系統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學模型。動能取決於物體的運動速度，物體速度越快、動能越大。重力勢能取決於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，速度其實比高度更重要。物體只有11%的能量歸屬於引力勢能，其餘皆為動能。

將僅僅1千克的物體送入軌道，就需要耗費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10焦耳。可見將物體送入軌道所耗的能量是多麼驚人。

但真正的問題其實比這還要棘手。利用化學火箭，真正耗費的不僅是將1千克物體送入軌道的能量，因為火箭還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，這意味著火箭發射時需要攜帶更多燃料才行。在現實中，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火箭發射物體，而是拉一根直通太空的纜線、讓物體沿著纜線爬升呢？

太空電梯的基礎知識

假設我們已經建起了一台400公里高的巨塔。你以為只要坐上電梯、升到塔頂，就能進入太空了對嗎？事實可沒有這麼簡單。

首先，這種結構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，而且耗費的材料量也太過龐大。

但最大的難點還不在這裡，速度也是一大難題。（別忘了，必須達到足夠的運動速度才能停留在軌道上。）由於地球一直在自轉，如果塔的基座位於地球赤道上，位於400公里高度上的塔頂就會處於高速運動狀態。地球自轉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，用於衡量旋轉速度。（弧度是衡量旋轉大小的單位，與角度是兩個不同的概念。）如果兩個人在同一根旋轉臂上旋轉，兩者角速度相同（假設均為1弧度每秒），但離旋轉中心較遠的人移動速度更快。假設其中一人距旋轉中心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。地球自轉也是同理，只要距地球足夠遠，地球自轉便能使你達到圍繞地球旋轉所需的軌道速度。

不過事實上，距地球越遠，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。看上去似乎差別不大，但別忘了，這裡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，便可進入軌道旋轉。但這座塔的高度得達到36000公里，根本不可能實現。

海拔36000米的軌道其實有個特殊的名字——地球同步軌道，意味著該軌道上的物體旋轉一圈所需的時間與地球自轉一圈剛好相同。如果將物體送入赤道正上方的地球同步軌道，其相對於地表的位置將永遠不變。（這樣的軌道又叫地球靜止軌道。）這點很有用，因為我們隨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星、天氣衛星、或者負責監控地表特定區域的衛星之間的通訊交流。

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，位於地球靜止軌道上的纜繩固定物必須質量足夠大，要么是座空間站，要么是顆小行星，這樣每當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，想必你已經能看出太空電梯的問題出在哪裡了：誰會願意打造一根長達36000公里的纜繩呢？要想達到這樣的長度，即使是最強韌的材料（比如凱夫拉爾纖維），也必須做得極粗、才不會斷裂。當然，纜繩越粗，下掛的質量就越大，這就意味著纜繩的上半部分必須做得更粗、才能承擔下半部分纜繩的重量。如此看來，這種設想根本不可能實現。要想成功造出太空電梯，只能寄希望於未來找到某種超強、超輕材料，比如碳納米管。也許我們有朝一日能化想像為現實，但短期內肯定無法實現。

如果電梯纜繩掉下來怎麼辦？

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

那麼在現實生活中，如果太空電梯的纜繩真的發生墜落，又會發生什麼事情呢？假設將纜繩分為100段，每一段都在圍繞地球運動，但角速度均與地球相同。如果是現實中的太空電梯纜繩，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。

接下來會發生什麼呢？由於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，可能會造成嚴重破壞。在本次採用的模型中，這部分纜繩落回地面後，包住了三分之一的赤道。儘管從理論上來說，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。

但並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。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到將纜繩扯斷，最終還是會產生大量太空碎片。

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險。我們或許應該慶幸，目前我們還停留在利用化學火箭探索太空的階段。（葉子）