让《星球大战》中的云城漂浮起来的物理学

以下内容摘自帕特里克·约翰逊所著的《星球大战中的物理学：遥远星系背后的科学》。

“兰多骗走了某人的钱。”——汉·索罗（第五集）

第五集，逃离霍斯之后

地点：云城贝斯平

角色：兰多·卡瑞辛、汉·索罗、卢克·天行者、莱娅·奥加纳公主、C-3PO、R2-D2、丘巴卡、达斯·维达、洛博特、波巴·费特

物理概念空气阻力、轨道

简介/背景

科幻小说中描绘的未来城市通常漂浮在太空中（想想杰森一家）。这可能与人们担心地球上的生命在某个时候可能不再可行有关。在不久的将来，我们要担心气候变化；从长远来看，我们可能需要搬迁的各种原因。其他星球往往不如地球适宜居住，因此，想象一个理想化的、完全可控的环境（如漂浮的房屋）是有道理的。这可能吗？

背景故事

《星球大战》为我们提供了一个科幻漂浮城市的完美范例：云城。云城有着非典型的背景故事。这座城市漂浮在贝斯平星球的表面上，专门设计用于采集提班纳气体，而不是为流离失所的人口提供住所。提班纳气体用于《星球大战》星系的各种技术，包括但不限于爆能枪和反重力装置。作为少数几个气体来源之一，云城从其采矿业务中获得了经济上的成功。从气态巨行星采集气体是否合理？如果你采集了整个星球会发生什么？

星球大战中的物理学

将城市悬浮在行星上方会非常困难且成本高昂。实现这一目标最简单的方法可能是让城市在行星周围的非常低的轨道上运行。为了保持这样的轨道，城市必须以足够快的速度水平移动，以便行星以与城市绕行星运行一样快的速度远离它。如果城市能以这样的速度运行，它将保持在轨道上，永远不会撞上行星。当一个物体在轨道上时，它实际上一直在下落，它只是向侧面移动得足够快，以至于总是不会撞上行星表面。

为什么这是最简单的解决方案？让我们考虑一下在某个地方悬停在地表上方所涉及的困难。为了论证的目的，假设云城是一个椭圆体（一个拉长的球体），直径约为 20 公里，从上到下长 5 公里（这可以让我们了解维持云城海拔所需的不同力量）。还假设云城所在的大气层的空气密度与地球表面附近的空气密度大致相同。最后，假设该行星的直径为 73,322 英里（这通常被称为贝斯平的直径）。

根据这些假设，这座城市需要以每小时 54,000 英里的速度绕地球运行。绕地球运行的卫星通常以这个速度的三分之一左右的速度运行，所以这个速度很快，但不是超乎寻常的快。当像云城这样大小的东西以如此快的速度在空中飞行时，它所受的阻力约为 6.74 × 1018 磅，或约为地球和月球之间拉力的七分之一。

让我们将其与支撑云城所需的力量进行比较。如果我们假设整座城市都是由钢铁制成的（粗略估计所需的力量），那么所需的力量将是 3.82 × 1025 磅，或大约是地球和太阳之间力量的一万倍。

我们把这个问题过于简单化了，但阻力仍然比升力小一千万倍。这清楚地表明，建造一个轨道城市比建造一个静止/悬停的城市要容易得多。当然，轨道城市也会带来自己的问题，比如每次访问时都要找到它的位置。

忽略建造城市和进入轨道的困难，开采天然气最终会不会成为一个问题？毕竟，随着时间的推移，可供开采的行星越来越少。简而言之，答案是肯定的；你可以开采整个星球。

随着天然气的开采，贝斯平的质量和半径将逐渐减小，以大致保持行星的密度。在行星尺寸减小的过程中，引力将变得越来越弱。在这种情况下，支撑城市的力量和使其保持在轨道上的力量都会减小。最终，城市的质量将大于行星的质量，行星将绕城市运行，而城市又将开始绕最近的恒星运行。

现实生活中的物理学

云城的想法听起来可能有点牵强，但确实如此。截至撰写本书时，地球周围还没有漂浮的城市，但国际空间站 (ISS) 中有一个为少数人类设计的轨道栖息地。就像空间站一样，如果云城真的在轨道上，城市中的一切都会显得没有重量，因为一切都需要以同样的方式在轨道上。然而，与云城不同的是，国际空间站没有人工重力，因此国际空间站上的所有人和物体都显得没有重量。这是因为国际空间站中的一切都与空间站本身处于同一轨道上。云城设置的其他方面并不那么奇幻。

实际上，NASA 已经考虑过在气态巨行星上空建造浮动矿井以收集其气体。NASA 于 2015 年 4 月发布的一份报告中，Bryan Palaszewski 描述了可用于从太阳系外行星收集气体的方法和车辆。他详细介绍了使用无人驾驶飞行器从海王星和天王星的大气中收集氦气，然后返回绕行星运行的母舰运送有效载荷。这份报告中最有趣的部分可能是建议飞行器在收集氦气的同时收集氢气，目的是燃烧氢气为火箭提供动力，将其送回储存飞行器。飞行器实际上可以在工作时自行加油。

人们已经对外星系的一些行星进行了一些探索，以确定是否值得收集它们的气体。到目前为止，我们对外星的大气和成分了解不多，但我们利用 1989 年发射的伽利略号探测器进行了一些有趣的测量。伽利略号在绕木星运行期间，拍摄了许多照片，并测量了木星表面和大气。

伽利略卫星测量的最引人注目的事件是 1994 年彗星苏梅克-列维 9 号撞击木星。这颗彗星的碎片直径约为 1.24 英里，以每小时约 134,000 英里的速度撞击木星。这次碰撞是太阳系有史以来测量到的最剧烈的事件。碎片 G 与木星表面的碰撞瞬间释放的能量约为地球核武库的六百倍。它在木星表面留下了一个直径约 7,456 英里的陨石坑，至今仍可见。

摘自帕特里克·约翰逊所著的《星球大战中的物理学：遥远星系背后的科学》。版权所有 © 2017 Adams Media，西蒙与舒斯特旗下子公司。经出版商许可使用。保留所有权利。