一位物理学家检验一个大胆的科学幻想的科学性
土星五号火箭发射的景象给人印象太深刻了。其噪音给人印象深刻，其体积大得给人印象深刻，其惊险程度给人印象深刻。这也是人类令人瞩目的耗费的一个突出例证。在这种场合，仅仅两分钟，就有几千吨的燃料被耗费掉（在理论上），变成了滚滚浓烟（也是在理论上）。
要是我们坐下来，把我们理想中的空间运输系统的特性开列出一张清单，先别担心我们是否有希望得到它们，那么它会是个什么样子呢？噢，首先，也是最为重要的，它不应当在运行中消耗任何一种原材料一不应当有反应物质，这种物质曾是所有火箭推动自己前进所需要的。它应当允许我们从行星表面上来下去地运送材料，而且也能同样好地让我们在自由空间中运动。要是它能几乎完全不消耗能量，可就太好了。一旦我们选中这个方案，我们也可以要求它是鸦雀无声地，还没有污染呢！
乍一听，像是不可能，但是经过两代人的时间（约60年）以后，一种理想的，令所有人满意的系统就有可能摆在眼前。正如我们将要看到的那样，所需要的技术距离我们已经采用的技术并非十分遥远。事实上，我们先前利用火箭进行空间旅行的做法，将很有可能使我们的子孙们大为惊诧。
他们将会问：“当存在若其他一些简便、清洁、而又有效的方法时，为什么偏偏要使用像火箭这种浪费多，噪音大的东西呢？他们怎么不利用‘豆蔓’？”
在他们看来，火箭时代简直就像恐龙时代。我们就通过他们的眼睛来看看这根“豆蔓”吧。从基本原理开始。
宇宙飞船绕着地球赤道作轨道运行，高度达到足以避开大气的牵扯所造成的影响，绕一整圈大约是一个半小时。要是地球上没有大气，在一条“擦掠轨道”上的宇宙飞船就会用84.9分钟的时间刚好在这个表面以上运行。在这段时间的末尾，它不会处在它从地球上开始时的那同一个地点的正上空。地球也在旋转，而且，如果宇宙飞船的轨道与地球旋转的方向相同，它肯定会运行得更快——距离大约为2，370公里，在赤道上的这一点旋转一周用84.9分钟——然后，它再从开始的这一点上空通过。
现在，让宇宙飞船保持在赤道上空的环形通路上，这不是一条“擦掠轨道”，假设它是在距地球表面1，000公里的空中运行，轨道的周期将会更长。这时，它将大约是106分钟。轨道越高，运行周期越长。
当宇宙飞船的高度是35，770公里时，轨道周期就是1，436分钟，一个恒星日（即一个太阳日，也就是地球上某一点再准确地对准太阳时所需的时间，是1，440分钟）。换句话说，现在宇宙飞船所花的时间刚好与地球在宇宙中转一整圈的时间相等。因为宇宙飞船正在按照与地球相同的速度绕行，看来就好像是悬在赤道的同一点上空。
这样的一种特殊轨道就叫做“与地球的相对位置保持固定不变”，因为卫星对于地球表面是相对不变的。这是通信卫星的一条极妙的轨道。地面的接收天线完全没有必要去跟踪卫星——天上的那个老是呆在同一位置。
与地球的相对位置保持固定不变的轨道还有一些不寻常的优点。这就是一条处在与地球成某个位置的轨道上。在此处，作用于该轨道物体上的引力和离心力保持平衡。要想看看这是怎么回事，就设想它是在赤道上垂直竖起来的一根细细的杆子吧。一条长杆子，而且我强调的是长。假如它能向上延伸到100，000公里以上，而且它的强度很高，刚性很好，能够保持垂直。这样，这根杆子低于与地球的相对位置保持固定不动的轨道高度以下的各部分都会受到一种纯粹向下的力量，由于它走得太缓慢，离心力也就不可能与向心加速度平衡。换句话说，在超过了与地球的相对位置保持固定不变的轨道高度时，这根杆子的各个部分都会受到一种纯向外的力。这些部分在以非常快的速度运行，使离心力超过引力的牵引。
在这根杆子上与地球的相对位置保持固定不动的轨道高度以上的那一截，越高，作用于它上面的向外的总拉力也就越大。所以，如果我们造的这根杆子长度刚好适中，在低于与地球的相对位置保持固定不动的轨道高度以下，作用于这根杆子的各个部分向下的总拉力将刚好与在这个高度以上，作用于更高的部分的向外的拉力相平衡。我们的杆子将悬在那儿，在赤道上与地球相接触，却又不给咱们这颗行星施加任何向下的力。
这根杆子得有多长？如果我们要造一条截面一致的杆子，就得向上延伸143，700公里，但在实际上，我们不可能选择制造一根截面不变的杆子，因为在靠近与地球的相对位置保持固定不变的高度上，它所必须承受的向下的拉力远远大于靠近地球上该点的向下的引力。在较高的部位，这根杆子必须承受其自身大于35，000公里处的重量，反之在靠近地球的地方，它却仅仅支持着悬在低于这一高度的重量。由此出发，我们希望，最好的设计将是一根锥形的杆子，由于其最粗的部分是处在与地球的相对位置保持固定不变的高度上，作用在杆子上的引力也就最大。
“刚性杆子”这一概念也容易造成错误。我们所看到的起作用的唯一的力量就是拉力。因此，更合逻辑的是设想这种结构是一条“缆索”而不是一根杆下。
现在，我们已经得出了我们初步设想的“豆蔓”的某些主要特点。它将是一条很长很长、强度很高的缆索，从地球表面的赤道向外延伸，一直超过与地球相对位置保持固定不变的轨道高度。我们将把它当作一个巨大的电梯的吊缆，把东西送上轨道，或者送回地面。这个结构将以静平衡的方式悬挂在那儿，与地球一起旋转。
我们所需要的这条钢索至少必须能承受住从35，000公里高度到地球表面的自身重量，实际上，它必须比这个强度大得多。我们将必然都想要按照一个很合理的安全系数来建造，而且我们还将把其它一些结构挂在它上面，把它造成一个可供使用的运输系统。
在35，770公里的高度上，向上和向下的力完全平衡，缆索的拉力小于由此向下到达地球的一条35，770公里长的类似的缆索的重量，这有两个原因：向下的引力是以距地球中心的距离的平方面减小的，可向上的离心力是与这个距离成线性增大的。这两种影响都要使缆索所要承受的拉力减小。一个简捷的计算表明，截面一致的一条缆索的最大拉力将等于距地球4，940公里的这种缆索的重量。
还要指出，我们只关心拉伸强度，即当你拉它的时候，这种材料的强度有多大。抗压强度和抗剪强度是非常不同的，一种材料的抗压强度可能很强，但其拉伸强度却可能很弱（一个很好的例子就是建筑用砖）。
支持4，940公里的长度，我们现用的材料符合要求吗？
不太好。现在我们来看一看为什么还没有一个人能造出一条“豆蔓”来吧。表1是现在常用的一些材料强度、密度及其支持长度。
毫不奇怪，我们是不会去试图用铅来制造一条“豆蔓”式支持缆索的。正如我们从表中所看到的那样，即使用我们找得到的最好的钢丝，其支持长度大约也仅仅是我们所需长度的百分之一。表中最后一行，幻想中的材料，可能十全十美，但却有一个缺点：它还不存在。我们现用的强度最高的材料，石墨及碳化硅细丝，仍然远远不能满足我们的需要。不一定坚持我们的豆蔓采用某种特殊材料，较为保险、较为合理的是进行这样一番并不特殊的论述：适合于人类的材料强度，在整个历史上是一直在增强，而且最为激动人心的进展是发生在本世纪。看来，盼望在今后100年内至少再增大一个数量级是有些道理的。
具有幻想中的材料特性的某些东西可能会真的非常之好。圆形截面，底端直径为一米的“豆蔓”能支持1，600万吨。
我们说过了将用什么来造一条豆蔓，但是，我们将怎样来建造呢？
我自己喜欢的一个解决方法是雄心勃勃的：在远离地球的地方建造整条“豆蔓”。当它造好的时候，把它放下来。计算好时间，使其下端刚好在上端与某个镇重物进行会合时，（这是一条超过了与地球相对位置保持固定不动的高度的一条漫漫长途。）到达在赤道上的一个准备好了的着陆系索地区。
在远离地球的地方建造一条“豆蔓”，有助于解决材料的供应问题。我们当然不是想要使用地球上的材料进行建造，因为把它们弄到那上面去可能赴一项非同寻常的工作。幸好，有两种我们在材料强度表中找得到的有希望的材料：石墨和碳化硅。巧合的是，在主要的几种小行星中，有两种被称之为碳化硅型和硅质类的。它们可以作为我们的原料来源。
现在，建造豆蔓的方法已经很清楚了。我们从小行星带上把一颗小行星（直径为二公里）“飞”进来。我们在那儿造一颗太阳能卫星或者一座核电厂，以提供我们所需的能量。然后，我们就制造豆蔓及所有的东西：负重缆索、超导电缆及驱动列车等。然后，我们将其“飞”回地球。
这样，我们就有了一条负重缆索，也许底部的截面直径是两米，从赤道起，向上延伸，直到超过与地球相对位置保持固定不变的高度。它的下端将要拴住，以免它绕着地球作圆周运动。它的强度将达到能支持住几百万吨的重物。我们还需要什么呢？
首先，我们要使这个拴住它的系留点结实，要保证它能承受住几百万吨的拉力而不能从地球上松脱。再是，我们要到这条缆索的遥远的另一端，在那儿坠上一个真正够大的配重物。这个配重物向外拉，所以，整个缆索现在都承受着一个外加的拉力，使配重物的拉力与下面地球上的系留点保持平衡。
我们还真需要这个拉力。
为什么？啊，那就假设我们要向“豆蔓”上方输送一百万吨货物吧。我们将要做的第一件事，就是将其挂在这条缆索靠近地面的系留点附近。如果靠近下端的向下的拉力是二百万吨，在我们向这条缆索上悬挂货物的时候，我们只要将作用于该系留点上的向上的力从二百万吨降到一百万吨就行了。这个货物本身就提供了一些向下的拉力，能使在遥远的末端向外猛拉的配重物平衡。整个系统是稳定的。
但是，我们要是使用了一个较小的配重物，就足以使我们对只有50万吨的系留点产生拉力，我们就会陷入麻烦。我们如果将一百万吨的重物吊在这条缆索上，就会要拉着那个配重物向下沉。这就是没有足够的配重物提供所需要的向上的拉力。
一旦我们有了一条绷得紧紧的缆索，拴在适当位置上，我们就需要一种动力源供我们在这条豆蔓上活动。我们在遥远的另一端放一颗太阳能卫星，或者一座核电厂，并沿着这条缆索一路向下，将其加在主负重缆索上。
一旦我们加装一些电缆，我们就可以建造驱动列车，再将其加在负重缆索上作为支撑。最简便的驱动列车系统很可能是一种线性同步电机，该电机的原理是非常合乎道理的。
假如我们按照每小时300公里的均匀速度沿着豆蔓上上下下地开车，到达与地球保持相对位置不变的这个高度的旅行，将要花五天的时间。这比火箭慢多了，但它将要安静多了——而且，还可以看出有另外一些优点。
首先，我们将得到一个完全没有污染的系统，一个一点也不采用反应性物质的系统。在你观看过普通的火箭发射对地球的上层大气和电离层的绝妙平衡造成的影响之后，你就会全都明白了。
第二，我们将有一个具有潜力的无需能源的系统。为了把一个物体提升到与地球保持相对位置固定不动的高度，在理论上，驱动列车所用的能量，可以在它；们落到地面上时，让回落的物体提供给驱动列车，从而得到恢复。
我们何时能制造这样一条“豆蔓”？我们需要有两种东西，然后才能进行这一工程：一种强度足够的材料及一个地球外面的动力源。在今后五十到一百年之中，这两者都应当是可以实现的。
现在，展望几千年以后吧。文明世界将会大规模地跑出地球，进入自由空间的移民区。这种移民区将有几千个，每处都能自给自足，可用小行星带上的合适材料进行建造。尽管它们能够自给，将来在它们之间却要进行商业性和再创造的旅行。非常自然，实现这种旅行将不采用反应物质，而是通过一种自由空间的“豆蔓”这种外延式的系统，它能够为把旅客从一处移民区运往另一处移民区提供所需的加速或减速。以太阳为中心的这种移民区将有成千上万，而且它们还将是自由地绕着轨道运行。
整个文明世界将是很稳定的，有组织的，但是也有一个会造成连续不断地出现骚乱和危险的总根源。因为地球并不是一个真正的球体，而且由于地轴有点摆动，引力场有某种奇怪的特性，这就干扰了移民们的活动，也影响了他们穿越太阳系自由迁徙。
看起来是不可避免的，在某些个移民区的专题节目中，演说人终将要站起身来大声宣传这些人的意愿。他将演说由于这种奇异特性所造成的困难，谈论消除它们要做哪些事情。谈论它们造成的危险，谈论它们所引起的麻烦。最后，作为一个后起的加图（注），他很可能对太阳系的这种引力的某个或某些奇异特性，即一些行星，发表评论。
“地球必定要毁灭！”
[Science Digest 1984年4月]
* 物理学家查尔斯、舍菲尔德是美国地球卫星公司的副经理，他把地球资源卫星拍摄的五彩缤纷的照片汇编两个令人为之瞠目的集子：《地球观测》和《地球上的人》。
打从1966年月球轨道器对月球进行第一次全面调查起，舍菲尔德为美国宇航局完成了许多任务。但是，他还是一位科学幻想小说作家。他的代表作就是造一条通，往宇宙的“豆蔓”。他声称：到2050年我们将乘坐“豆蔓”进入宇宙；火箭将要消失。
注：加图（Cato）有两位，一是老加图，公元前234 ~ 149年在世；另一位是小加图，公元前95 ~ 46年在世，都是罗马政治家。