星球大战：云城漂浮的物理原理

本文节选自 《星球大战物理学：遥远星系的科学》 ，作者：Patrick Johnson。

“兰多把它骗到手的。”——汉·索罗（第五部曲）

时间第五部曲，逃离霍斯不久

地点贝斯平，云城

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，洛波特，波巴·费特

物理概念 空气阻力，轨道

简要介绍/背景

科幻小说中描绘的未来城市常常漂浮在太空中（例如《杰特森一家》）。这可能与地球生命在某些时候可能不再适宜生存的担忧有关。在不久的将来，我们有气候变化需要担心；从长远来看，我们可能需要搬迁的原因有很多。其他行星通常不如地球宜居，因此人们会想象一个理想化的、完全可控的环境，比如一个漂浮的家园，这是合乎情理的。这可能实现吗？

背景故事

《星球大战》为我们提供了一个漂浮的科幻城市绝佳范例：云城。云城有着非同寻常的故事。这座城市漂浮在贝斯平行星表面上方，其设计初衷是为了采集提巴纳气体，而不是为了安置流离失所的人口。提巴纳气体在《星球大战》的银河系中用于各种技术，包括但不限于爆能枪和反重力推进器。作为该气体为数不多的来源之一，云城因其采矿业务而获得经济上的成功。从一个气态巨行星上采集气体是否合理？如果将整个行星都采光了会怎样？

《星球大战》的物理学

将一座城市悬停在一颗行星上方将是极其困难且昂贵的。最简单的实现方式可能是让城市围绕行星保持在一个非常低的轨道上。要维持这样的轨道，城市必须足够快地水平移动，以便行星在城市围绕它移动的同时，以同样的速度弯曲离开它。如果城市能一直保持这个速度，它就能维持轨道，永远不会坠入行星。当一个物体处于轨道上时，它实际上一直在下坠，只是它横向移动的速度足够快，从而始终避开行星表面。

为什么这是最简单的解决方案？让我们考虑一下原地悬停在表面上方所涉及的困难。为了论证起见，假设云城是一个椭球体（一个拉长的球体），横向约 20 公里，纵向约 5 公里（这能让我们大致了解维持云城高度所需的各种力）。同时假设云城所在的大气层密度与地球表面附近相似。最后，假设行星的直径为 73,322 英里（这通常被认为是贝斯平的直径）。

根据这些假设，这座城市需要以大约每小时 54,000 英里的速度绕行星运行。绕地球运行的卫星通常以这个速度的三分之一的速度运行，所以这很快，但并非离谱的速度。云城如此高速穿过空气所产生的阻力约为 6.74 × 10¹⁸ 磅，大约是地球和月球之间引力的七分之一。

让我们将其与仅仅支撑云城所需的力进行比较。如果我们假设整个城市都由钢材制成（以获得对所需力的非常粗略的估计），那么所需的力将是 3.82 × 10²⁵ 磅，大约是地球和太阳之间引力的十万倍。

我们已经简化了这个问题，但即便如此，阻力仍然是提升力的一千万分之一。这清楚地表明，让一个城市处于轨道上比让一个 stationary/hovering 的城市更容易。当然，一个轨道城市也会带来自己的问题，比如每次拜访时都需要找到它的位置。

忽略建造城市并将其送入轨道所涉及的困难，开采气体最终不会成为问题吗？毕竟，随着时间的推移，行星的体积越来越小。简短的回答是肯定的；你可以将整个行星都开采一遍。

随着气体的开采，贝斯平的质量和半径会逐渐减小，以大致维持行星的密度。随着行星尺寸的减小，引力会越来越弱。随着这种情况的发生，支撑城市所需的力以及维持其轨道运行的力都会减小。最终，城市质量会大于行星质量，行星将围绕城市运行，而城市则开始围绕最近的恒星运行。

现实生活中的物理学

云城的想法可能听起来有点异想天开，而且确实如此。在本书写作时，地球周围没有漂浮的城市，但有一个为国际空间站 (ISS) 上的几名宇航员设计的轨道栖息地。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失重，因为一切都需要以同样的方式在轨道上运行。然而，与云城不同的是，国际空间站没有人工重力，所以国际空间站上的一切和物体都显得失重。这是因为国际空间站上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则不那么奇幻。

NASA 实际上已经考虑过在气态巨行星上方建造一个漂浮的矿井来采集其气体的想法。在 NASA 2015 年 4 月发布的一份报告中，Bryan Palaszewski 描述了可用于采集太阳系外行星气体的方法和飞行器。他详细介绍了使用无人机从海王星和天王星的大气中采集氦气，然后返回行星轨道上的母船以交付其有效载荷。也许这份报告中最有趣的一个方面是，建议使用能够同时采集氢气的飞行器，目的是燃烧氢气为返回储存飞行器的火箭提供动力。这些飞行器实际上能够在工作期间为自己加油。

为了确定采集外行星气体是否值得，已经对太阳系外行星进行了一些探索。直到今天，我们对这些外行星的大气和构成知之甚少，但我们使用 1989 年发射的伽利略探测器进行了一些有趣的测量。当伽利略号绕木星运行时，它拍摄了大量木星表面和大气层的照片和测量数据。

伽利略号卫星做出的最引人注目的测量是 1994 年苏梅克-列维 9 号彗星撞击木星。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。这次撞击是太阳系中有记录以来最灾难性的事件。C 片段撞击表面时，瞬间释放的能量大约是地球核武库的六百倍。它在木星表面留下了一个约 7,456 英里宽的陨石坑，至今仍然可见。