科幻作品中的科学原理（超自然材料的发现可能让科幻变成现实）

（思进注：最近《流浪地球2》大火，普遍认为将中国电影工业提升到了新高度，很多网友对片中的太空电梯感兴趣，恰好前年底我写过两篇文章科普了太空电梯，再转发和大家分享……）

超自然材料的发现可能让科幻变成现实——漫谈太空电梯（上）

文/陈思进

今年，令无数科幻迷翘首以盼多年的两部科幻史诗巨著几乎同时被搬上了银（荧）幕，一部是《沙丘》，另一部的原著比《沙丘》还要早20年，一度被称为“最不可能被影视化的科幻作品”——《基地》，作者艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）。

可能好些《科普时报》的长期读者知道我是科幻小说“三巨头”阿西莫夫的拥趸，几年前，还曾在《科幻作品究竟有何意义？（ 《科普时报》2017年10月06日第3版首发：digitalpaper.stdaily/http_kjrb/kjwzb/html/2017-10/06/content_379145.htm ）》最后提到，我正在创作一部硬科幻系列小说《超越时空》（也是本专栏名，第一部《超时空拯救》已经出版），向我最崇拜的科幻大师阿西莫夫的《基地》——人类历史上最好看的系列小说——致敬！

最近，在首播的《基地》第一季第一、二集中，大家终于看到了阿西莫夫用文字为大家描绘的一个恢弘的银河帝国，而其中特别令人眼球一亮的，是跃迁舰从空间站到达首都川陀，从通往地面的天梯上，看着黑暗中无数闪耀的星球。

这儿的关键词：天梯，恰好我在《39分钟从纽约到上海可能吗？——继续畅想明日的梦想旅行工具》（《科普时报》2021年08月20日第3版首发：digitalpaper.stdaily/http_kjrb/kjwzb/html/2021-08/20/content_519550.htm ）一文中最后提到，如果你觉得飞行汽车、星际飞船运送地面乘客环游太空不过瘾，那么就让快速上下太空的天梯——太空电梯从科幻变成现实吧。

天梯，又称空间电梯（Space elevator），由于顶部直达外空间，所以称其太空电梯最为合适，是一种低成本地将有效载荷从地球或其它星球的表面，把物种运输到空间的解决方案。

天梯的概念最初出现在1895年，是俄罗斯和前苏联的火箭专家，以及宇航先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，在参观巴黎的埃菲尔铁塔时，产生了太空电梯这个想法的。但有意思的是，齐奥尔科夫斯基所有的知识都是自学的，而且他一生中大部分时间，都是在莫斯科南部卡卢加郊外的木屋中度过的。他在那个小木屋里算出了第一宇宙速度，而且设计了最初的火箭的模型。他有一句名言，地球是人类的摇篮，但是，人类不能一直生活在摇篮里。

当初，齐奥尔科夫斯基提出，在赤道上建一座超过一百公里高的“埃菲尔铁塔”——太空电梯，以使其成为将物体送入空间轨道的更便捷的途径。然而事实证明，这个想法最疯狂的不是空间部分，而是塔的部分。试想，如果你想建造一个通往太空的电梯，很显然，你不会把电梯挂在什么塔上，而是把它挂在天空中。

然而，在相当长的一段时间里，太空电梯仅仅是一种科学幻想，无法具体实施。

直到65年之后，也就是1960年的时候，太空电梯思想先驱者之一、俄罗斯工程师尤里·阿尔楚塔诺夫指出：空间电梯应该自上而下修建，而非自地球向上修建，先把太空飞船送入轨道，然后将缆绳向下延伸固定到地球上，并提出了一个可能实施齐奥尔科夫斯基理论的具体方案：

通常，我们建造电梯都是从地面往上建，而阿尔楚塔诺夫提出从太空往下建，距离地面3.6万公里的地方有一个圆形的轨道，因为，它与地球旋转速度相同，所以，在这个轨道上所有运行的卫星相对于地球表面是静止的。把卫星发到这个静止轨道之后，从这个卫星上伸下一根“绳子”，上面挂一重物，就把它垂到地球上了，然后把地面的这一端固定下来，地球就和那个卫星用“绳子”连接起来了。

但问题是，这个重物垂下来之后，卫星和重物整体的重心就要向下移动，离开这个轨道了。为了保证这个卫星始终保持在静止轨道上，需要这根“绳子”向相反的方向也伸出另一个头。于是，当一端达到地面的时候，另一头就到了太空7.2万公里的地方。有了这根“绳子”之后，用一个升降机攀岩，那一个太空电梯便完成了，而10万公里长的宇宙电梯理论上可以承载100吨的重量。

这个理论看起来简洁明了，具体方案也似乎是可行的，于是，很多国家开始尝试着做这件事情。可是三十年过去了，事情却没有任何进展。为什么呢？首先是材料的问题，一直找不到合适的材料来制造足够强度的缆绳。当然啦，一般的钢铁是不行的，因为钢铁密度大、自重太大，长到一定程度的时候由于自重，它自己就断了。因此，理论上就要首先找到一种比木头还轻，比钢铁还硬的材料。

直到1991年1月，日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男，在使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中，发现了碳纳米管（Carbon Nanotube，缩写为CNT），它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化（sp2 hybridization，指一个原子同一电子层内由一个ns轨道和两个np轨道发生杂化的过程） ，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。

碳纳米管的特点就是超轻超硬，而且有一定的柔韧性，用这种材料制成头发丝细的绳索，仅使用一根就可以调取汽车。如果几捆缠在一起的话，其强度大概能达到宇宙电梯要求强度的一倍以上，而且十万公里也应该不会断……

碳纳米管的重大发现，令人看到了太空电梯从科幻变为现实的曙光。我将在下篇《上百年的天梯梦何时能从科幻变成现实——漫谈太空电梯（下）》中接着谈。

2021年12月03日写于多伦多安大略湖畔