人类最高能盖出多高的楼

2023-06-19 23:05严伯钧
风流一代·经典文摘 2023年6期
关键词:落山离心力碳纳米管

严伯钧

截至2020年,世界上最高的楼是迪拜的哈利法塔,高达828米,直入云霄。楼底的人看到太阳落山时,对于楼上的人来说,太阳却未落山。

理论上人类能盖出最高的楼是多高?这个问题其实定义不清,因为原则上只要楼的地基够大,就能盖到任意高度。譬如,日本人曾经就策划过一个叫“X-Seed4000”的项目,高达4000米,这已经不是高楼,而是座城市了,能住下100万人。它的形狀跟富士山差不多,预计耗资2000亿美元,但现在这个项目已经被放弃了。只要地基够大,就能盖得非常高,想超过珠穆朗玛峰都没问题,因为盖楼要考虑的主要是底下承受的压力,并且建筑形状如果是下宽上窄,也不太担心大风吹来造成的侧推力。

但如果要造一座高出大气层的楼,光靠地基大就不行了,因为地球有自转。当楼很高的时候,从全地球的尺度上来看,随着高度的增加,楼顶的旋转速度越来越快,如此大楼受到远离地表的离心力会变得非常大。也就是当楼高到一定程度,它受到的重力与离心力的合力方向便会向上。当然,我们在高中的时候,老师会说,只有向心力,没有离心力。离心力不是一个真实的力,而是在一个非惯性参考系中,为了使牛顿定律成立,人为地加上去的一个惯性力。楼越高,离心力就越大,所以当楼高到一定程度,其实连地基都不需要了,离心力会跟楼的重力平衡,楼就可以飘浮在半空。当楼的重心在同步卫星轨道那个位置时,楼就可以直接在地面上飘浮。同步轨道卫星的位置大约是离地心35000千米的位置,所以这样飘浮的大楼,大约可以盖到6万千米高,约为地球半径的9倍。 如果要造得更高,地基要承受的不是压力,而是向上的拉力。问题来了,目前地球上没有那么大强度的材料可以承受住这种张力,但碳纳米管也许可以做到。

碳纳米管是一种纳米材料,把碳原子按六边形的蜂窝状排列,然后再把它卷起来,它的强度是钢的100倍,但是密度却只有钢的1/16,是一种极有前景的材料。但如果楼高到10万千米,估计碳纳米管也承受不住了,这栋楼就只能飞到太空里去了。

其实前面说到的几万千米高的楼已经不是楼了,而是科幻小说中的一个概念,叫作“太空电梯”。很多人可能要问,建一个6000万米高的太空电梯有什么用?我们要用长远的眼光来算算这笔账。人类现在的宇航技术把1000克的东西发到太空里的成本大概是20多万人民币,但如果太空电梯建成了,该成本会降到1000元。换句话说,要是谁先做出太空电梯,从成本优势上来说,地球周围的太空基本就全都是他的了。根据国际法,海拔100千米以上的太空区域是先到先得,别以为太空电梯是个纯粹的科幻概念,它还是有长远的战略意义的。

(夏之炎摘自北京联合出版公司《了不起的物理》)

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