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　　发表于2010年《大众软件》10月中

　　■江苏 防弹手柄

　　征服天空，飞向宇宙，是人类自诞生以来的永恒梦想。早在莱特兄弟试验飞机、蒙哥尔菲兄弟用热气球克服地心引力，中国明代科学家万户为载人火箭试验献出生命之前，我们的祖先就已经构想出了一劳永逸实现登天之梦的计划，这就是《圣经·旧约·创世记》第11章中所记载的通天塔(巴别塔)：大洪水劫后复兴的人类开始质疑上帝当初与自己立下的约定，祖先们试图建造一座可以直达天堂的高塔，这样当洪水再度爆发后，他们就可以在上帝的领域中找到自己的容身之地。而上帝则对人类公然质疑自己的行为感到愤怒，他让人类说不同的语言，使得整个计划的执行者之间不能沟通，通天塔因此成为了烂尾楼……

　　空间电梯

　　在科学理论和材料学突飞猛进，尤其是载人飞行器已经深入太空的今天，通天塔这一构想是否可行？科幻作家们对巴别塔的未来畅想已经有了眉目，那就是连接地球与太空的空间电梯(以下简称天梯)。游戏工作者们则很好地“山寨”了他们的理念：在《文明——天赋神权》(Civilization: Call to Power，1999年)中，空间电梯是一项奇观建筑；在《自由枪骑兵》(Freelancer，2003年)中，空间电梯是将小型飞船从轨道直接传送到行星表面的高速安全通道；在超任游戏《战斗冲击》(Battle Clash，1992年)中，“巴别塔”是大灾变之后人类通向外太空的唯一途径；而在近期推出的机甲题材动作游戏《前线任务进化》(Front Mission Evolved)中，空间电梯已经成为超级大国间扩张太空霸权的工具——USN(United States of the New Continent，新大陆合众国)的天梯被不明身份的武装分子破坏，这一事件导致了一场世界大战的爆发……对科幻题材游戏玩家而言，天梯的概念不仅相当熟悉，而且其结构、原理，也被我们的虚拟替身在游戏世界中“亲身”体验过。

　　概念的雏形

　　“天梯”作为一个科学概念，最早是于1895年，由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出的，其灵感来源，便是法国的新落成的标志性建筑——埃菲尔铁塔。齐奥尔科夫斯基构想了这样了一个可以让人类自由通行于地表与太空的设计：在距离海平面35790千米的地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡，充当“电梯”的平衡锤，用缆绳将其与地面基站连接起来，通过发动力拉动滑轮组，将货物和人员从地球送往太空。在提出这一构想的同时，齐奥尔科夫斯基也指出了其实现过程中的两个难点：“太空城堡”必须维持一定的轨道速度，避免脱离地球轨道，在惯性作用下甩入太空；缆绳的材料必须非常坚固。

　　时至今日，将“城堡”送入太空已经成为了可能(人造卫星等)，纳米技术的突飞猛进，也让当初这位俄国科学家所担心的材料问题得到了解决。与科幻题材影视、游戏所描述的那些更具未来感的封闭式天梯不同的是，齐奥尔科夫斯基当初构想中由“纺锤”、缆绳、基站和货舱组成的“四大件”，被后来的科学家证明是最具可行性的设计。因为封闭结构的天梯会受到地球自转、狂风、平衡、造价以及地基强度等一系列问题的影响。2002年，美国登月计划参与者之一的Brad Edward博士，在华盛顿创建了LiftPort集团，正在以齐奥尔科夫斯基的构想来实现人类“一步登天”的伟大梦想。

　　基本结构：地面基站

　　在“光环”的世界观中，人类历史上第一座天梯于2302年正式建成，它的地面基站设立在肯尼亚的蒙巴萨岛，围绕通天塔形成了一座没有机场、没有码头的新型港口城市——新蒙巴萨。从《光环2》(Halo 2，2004年)中的描绘来看，这个城市由无数金属打造的巨型仓库组成，磁悬浮列车组成了复杂的交通网络，将货物从城市中的各个位置运送到基站，再通过天梯将其送入太空。到Halo正篇故事开始的时候，赤道地区已经建设了7座“通天之城”，包括《光环3》多人地图中出现的位于厄瓜多尔首度基多的天梯，以及“光环”小说《奥星幽灵》(Ghosts of Onyx，2006年)中提到的建立于古巴首都哈瓦那的“联合国星际指挥部(UMSC)百年纪念”天梯。《席德·梅尔的文明Ⅳ》(Sid Meier's Civilization IV，2007年)更是将“北纬30度”作为建造天梯这一奇观建筑的必备条件。

　　为什么科幻作家构想的天梯的基点均位于赤道呢？因为地球自转所产生的离心力，使赤道位置建造的天梯能够一定程度上忽视引力的作用，也就是说，不需要像《圣经·创世纪》所描写的那样，用砖头一层一层地把塔盖起来，只要海面上端与下端的电梯长度一样，就可以靠地球的引力和离心力，把电梯像绳子一样两端拉紧，这种条件只有在赤道上可行，在这里重力、离心力、惯性力的矢量维持在一个平面，并且重力和离心力相抵消，惯性力给其他两力垂直方向“刹车”，整个天梯的结构就会处于一个相当稳定的状态。

　　在赤道地区建立天梯的考虑还包括这里的商业航班相对较少，但赤道地区的强烈空气对流活动异常频繁，因此，天梯基站的最佳建造地点，只能位于赤道两侧各5°～10°的低纬度海拔地区的“赤道无风带”内。翻开地图，我们可以找到这样几个绝佳地点：非洲的刚果河(扎伊尔河)流域、南美洲的亚马逊河流域和亚洲与大洋洲间从苏门答腊岛到新几内亚岛一带，这些区域就是建造“太空巴别塔”的最佳地点。

货仓结构示意图

　　如果要在外星球上建造天梯，理论上要求相比地球低，基站的选址也不会太复杂，因为它们一般来说重力较小，且没有大气因素影响。2002年的RPG游戏《超人宇宙》(Transhuman Space)里，人类文明的第一座天梯就是在火星建成的。不过其前提必须是人类已经实现了外星殖民，而这一事件似乎应该要在天梯建成之后才会发生的吧……

天梯看起来不错

　　基本结构：缆绳

　　在能够承受货物的重量之前，天梯的缆绳必须承载的是自身的重量，即便是以尼龙绳为材料，从基站到重力锤的缆绳质量将达到17532吨的惊人数字。绳索的强度并非只要征服重力，天梯的原理与其说是“钓鱼”，不如说是“放风筝”，绳索会受到多股向不同方向作用的力的考验，最保守的估计，材料的强度系数必须达到50000 kN.m/kg ，而最精良的钢绳，其强度只能达到这一数字的百分之一。天梯的难关，恰恰在于缆绳的制作材料，它必须具有非常高的弹性模量，抗张强度也需要非常高，同时重量还必须很轻，成本也不能高昂。而科学家所考虑过的材料，要么是强度不够，要么就是不够柔韧，无法制成缆绳，而且拉力抗性也很弱。

　　Arthur C. Clarke的小说《天堂的喷泉》(The Fountains of Paradise，1979年)，就对这种材料进行了畅想。它的第一次出场是在一个展示会上。研制者用它制成细线，拴住一只金属球。由于线只有几微米粗，肉眼看不到，观众只看到金属球“浮”在空中，可如果谁的手不慎划过金属球的上方，就会被割断，因为这根细线比最锋利的刀刃都锋利百倍。近年来之所以天梯计划取得了突破性的进展，其突破口在于纳米技术的进步，碳纳米管这一新兴材料的出现，让天梯不再是一个纯粹意义上的科幻概念。这种材料在强度上比钢高100倍，重量只有其六分之一，但却可以具备橡胶那样的柔韧性。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维，那么就有可能制作出制造天梯缆绳所需的细丝。目前这一技术也面临着瓶颈：科学家尚无法将碳纳米管聚合成纤维或带状，最长的碳纳米管绳的长度也只有5厘米。

　　基本结构：平衡锤

　　如果将天梯比喻为绳球游戏，那么上文介绍的碳纳米管就是“绳子”，而在地球轨道上充当天梯终点的平衡锤就是“球”。“球”必须围绕立柱作高速旋转，这样才可以使“绳子”拉得很紧(让缆绳始终与地表垂直)。作为悬挂着超过5000吨质量物体的“天钩”，平衡锤的功能绝非同步卫星所能胜任。这是因为，一个普通的地球同步轨道卫星，它做圆周运动的离心力和其重力保持平衡后，就可以保持轨道，因为其重量轻，所以它的轨道速度保持与地球同步时产生的离心力可以支撑其重力。而天梯的平衡锤必须支撑整个电梯的重量，必须有很大的离心力来将整个设备拉住，单靠天梯自己本身的重量产生的离心力的话，位于静止轨道末端的质量就必须非常大。这也是为什么在科幻作品所表现的场面中，一旦平衡锤受到了攻击，整个天梯的结构就会瞬间解体的原因。《狂野禁区》(Z.O.E. Dolores,i)中的反派势力就是这么做的，好在这部动漫中，天梯的平衡锤启动了紧急配重，用于保持天梯稳定性的设计，因而免遭毁灭。