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埃隆·马斯克用物理学思维改变世界（1）
作者：高广宇，微信：ggy15940101983
埃隆•马斯克用物理学思维改变着世界。他全球最大的支付系统PayPal的创始人，通过物理学的正反馈效应使得PayPal的用户以指数的速度增长，最终以15亿美元卖给了eBay。他是电动汽车特斯拉的CEO，颠覆了传统汽车，以物理学思维大幅降低了电池成本，为电动车商业化奠定了基础，创造了媲美超跑速度的电动汽车。他是太空探索技术公司Space X的CEO，以“把人类送上火星”作为公司的目标，以物理学思维核算火箭成本，要以1/10的价格制造火箭，从而减少太空旅行成本。他是屋顶光伏电站Solarcity的董事会主席，该公司发展家用光伏发电项目，为客户提供太阳能发电服务。马斯克还提出了超级高铁项目，Hyperloop超级高铁未来可能达到1200公里每小时的速度。其中任何一项技术成熟并规模化都将改变地球，改变人类的生活方式。马斯克以物理学的思维创造着一个又一个的奇迹，也被称为现实版的钢铁侠（如图1所示）。
图1 马斯克和钢铁侠
一个人在一个领域成功可能是偶然的，但是马斯克可以在多个高端领域成功，那么必然有着成功的方法，本文将使用《可以量化的管理学》中的2种基本的物理学方法分析埃隆马斯克的成功，这两种方法分别为广义动量定理和系统思考。
埃隆•马斯克方法论是使用物理学的角度看待世界，他将这种方法称为第一性原理。埃隆•马斯克说：“第一性原理的思想方式是用物理学的角度看待世界，也就是说一层层拨开事物表象，看到里面的本质，再从本质一层层往上走。”
在研发电动汽车时，开始电池的价格很高，这样就很难将电动汽车商业化。马斯克使用第一性原理，分析电池由什么组成来推算电池的极限价格，从而使得电池价格大幅度降低，为电动汽车的商业化奠定了基础。
由于电池的设备太重，所以必须从材质入手减轻车身重量。马斯克要求工程师们用铝来代替钢。但是，当时整个北美地区能生产铝车身板材的汽车制造厂屈指可数。铝材在巨大的压力机下容易拉伸变形，从而形成像妊娠纹一样凹凸不平的表面，导致上色不均。面对巨大的操作困境，团队屡次劝说马斯克放弃这个想法。
为什么要用质量轻的铝代替钢呢？因为特斯拉要的是高速度的超级跑车，如果跑车的百公里加速太慢，那么这个超跑就不是“超跑”。从动量定理Ft=Δmv角度来说，百公里的速度v为100公理/小时，那么要想加速时间t变短，通过公式t=Δmv/F可知，增加汽车动力F或减少汽车质量m都可以减少百公里加速的时间t。所以使用质量轻的铝来代替质量重的钢，可以有效减少汽车整体质量，从而使得汽车的百公里加速时间变短。物理学为马斯克指出了优化特斯拉超跑的正确方向，即使研发团队屡次劝说放弃，但马斯克不为所动，毫不妥协。他说：“我知道我们一定能够做到，只是花多少时间和精力的问题。”最后的结果证明他是对的。他永远要求同事们去考虑“实现路径”，而不是争论“是否可行”。特斯拉创造了百公里加速性能优越的超跑Roadster（如图2所示）。
图2 特斯拉跑车Roadster
得益于铝车身带来的整车质量的降低，甚至于量产的中型轿车MODEL S的百公里加速也只需2.7秒，而一般中型轿车的百公里加速都需要8秒以上，MODEL S的加速时间是这些中型轿车望尘莫及的，甚至于超越了很多超级跑车。
没有物理学的指导，马斯克可能就会放弃铝制车身的想法，因为从比较的思维来看，大家都认为做不到，但是物理学为马斯克提供了正确的方向和信心，只要不违反物理学，那么就能做到，只是需要更多的时间和精力。从广义动量定理Fαt=MV的角度说，增加时间t和力量F都可以增加成果MV。马斯克认为只要一种想法不违反物理学，那么通过增加时间和力量就能做到。
马斯克为什么创立Space X呢？他说道：“我们之所以没去火星，不是因为不想去，而是因为认为没有能力去。大家有意愿去，都觉得没有成功的可能，于是就放弃了。所以我决心创立一家公司，减少太空旅行的成本，同时改进火箭技术，因为火箭技术自六十年代以来根本没取得什么进展。从某种意义上说，情况变得更糟，因为将物质送入轨道需要花费的成本更高。所以，这就是我创立Space X的初衷，不过在公司刚创立的时候，我觉得公司的存活几率只有10%。”马斯克想要降低旅行成本，改进火箭技术，并且将人类送上火星。所以尽管“把人类送上火星”的言论给人愚不可及的感觉，但却赋予马斯克的Space X一句独特的战斗口号。
对于马斯克来说，即使火箭技术上可以将人类送上火星，但如果成本难以承受，那也是不能实际推广的。所以降低火箭发射成本成为了马斯克需要重点解决的问题。那么马斯克如何使用物理学思维来降低火箭成本呢？马斯克通过他的第一性原理，从最基础的材料开始推算，得到火箭的成本只需要之前的1/10，并且通过重复利用火箭，甚至可以将火箭发射成本降低到之前的1/100。
马斯克说道：“火箭到底应该花费多少才合理？可以看看过去的火箭造价，然后就以此作为现在火箭的造价，还是看一下火箭的组成材料？你可以确定铝、钛、铬镍铁合金、碳纤维等元素的重量，把它们堆成一堆放在房间里，然后象变魔术一样把它们变成你想要的物理形状，就可以确定实物的最低造价。问题在于如何将这些元素变成你想要的形状，如果你真能够这么干，你就会发觉原材料的成本对于确定火箭用完就扔还是重复利用作用很小，只占总价的百分之几。所以，关键在于如何高效地重新组合这些原材料，变成你想要的形状。”
马斯克说道：“火箭关键在于重复利用。在这里用第一原理分析就很有意义了。如果用仿照先例的话，我们可以看看前人在重复使用方面的努力，比如太空梭或俄罗斯暴风雪计划，这些重复使用的努力并未降低太空飞行的成本，反而增加了成本。关于太空飞行的成本，太空梭的预算大约是40亿美元一年，每年一般飞四次，所以每艘太空梭的成本大约就是每年10亿美元，这比同等档次的火箭贵多了。所以，人们看到这个，就会觉得重复使用非但没有降低成本，反而增加了成本。但站在第一原理的角度来看，实际情况不是这么回事。如果你用的是精炼航空燃料低成本推进剂，就有可能。我们用的火箭推进剂的费用大约是每次飞行30万美元，而火箭的造价达到6000万美元，所以推进剂的花费与之相比是九牛一毛，只占火箭造价的0.5%。这与大型喷气式飞机差不多，那么如果你进行重复利用，考虑到维护等问题，每次飞行的成本就会不断接近推进剂的成本。如果火箭也遇到类似飞机那样的情况，维护成本可能会相当于燃油成本，对于航空公司来说，每次飞行的成本就是60万美元，这就能大幅节省成本。使用可重复利用的火箭，我觉得成本最终可以减少到原来的百分之一。”
马斯克通过从材料上的计算发现，火箭的制作材料所花费的金额仅仅是火箭整体开发费用的2%。这个比例与其他机械产品相比简直就是小菜一碟。比如特斯拉生产的电动汽车，材料费用占总体费用的20%-25%。如果是电脑的话，材料费用会占到总费用的90%。
而如果火箭的材料费占总费用的90%，那么马斯克还可能进入火箭发射领域吗？
对于计算机领域来说，材料费占总费用的90%，这就给出了你利润的极限，最多能得到10%的利润，并且新进入者在各方面都没有积累优势，那么你连10%也得不到。对于火箭这种超级烧钱的行业，一家私企如果不能有可观的利润率，那么这家公司不可能长久发展。而对于火箭行业来说，材料费只占整体费用的2%，那么这就给了马斯克一个物理学的成本极限，即火箭行业最少需要2%的成本，那么最多可以有98%的利润，这给了马斯克可以优化的广阔空间。这就是马斯克切入火箭领域的战略，通过低成本在火箭行业立足和发展。
马斯克通过使用他的第一性原理，推算出火箭的价格只需要以前的十分之一，然后重复利用火箭，可以将成本降为之前的百分之一。
马斯克说：“如果你进入任何一个现有的市场，面对那些强大的竞争对手，你的产品或服务必须要比他们好得多，它不能只是有一点点的优势，因为当你站在消费者的立场上时，你总是会购买值得你信赖的品牌，除非这个产品有很大的差异性。所以，你不能稍微好一点，而是要好得多。你必须有个创新思维，而不是（创造）更好的同一性。你做事情不是只需要好出10％，而是要创造出10倍的价值。”
材料成本占比越高，这个行业的利润就越低，可以优化的空间就越小，越不容易成功。物理学思维的计算让马斯克看到了火箭价格的极限，而现在距离这个极限太远，那么马斯克就有了非常大的可以优化的空间。如果没有物理学，那么你就找不到正确的方向。
在Space X研发火箭的过程中，马斯克也时刻使用着自己的物理学思维。如果你打算告诉马斯克某件事情没有办法做到，那你最好已经做足了功课并做好心理准备深入每一个技术环节，从最根本的原理出发逐步解释为什么行不通。首席工程师贾维丹说，“马斯克总是说，让最基本的物理原理说话。”物理学思维也给了马斯克判断某件事可能与不可能的标准，只要不违反物理学，那么就可以做到，物理学给出了不可能的边界，而在到达边界之前的空间都是可以优化的。
马斯克用物理学思维领导者Space X，那么Space X是否比其他火箭公司做得更好呢？
2015年12月22日，一个震撼世人的消息很快传遍了世界各地：美国Space X公司的猎鹰9号火箭，在运送Orbcomm公司11颗通讯卫星进入轨道后，地面成功回收了返回的一级火箭，创造了人类太空史上当之无愧的第一。
2018年2月7日凌晨，Space X的新型火箭，也是现役运力最强火箭“重型猎鹰”（Falcon Heavy）首飞成功，并完成两枚助推火箭回收（如图3所示）。
图3 Space X重型猎鹰发射
“重型猎鹰”火箭打破了多项世界纪录：近地轨道运载能力63.8吨，比目前纪录保持者德尔塔IV重型火箭的28.8吨提高了1倍多；地球同步轨道运载能力26.7吨；火星轨道的运载能力16.8吨。“重型猎鹰”火箭起飞时27台梅林1D发动机同时工作，可以提供高达2280多吨的起飞推力（如图4所示）。
图4 火箭载荷对比
Space X称，“重型猎鹰”可以运送2至4吨的货物至火星表面。这次的“重型猎鹰”火箭试射，标志着商业航天领域又前进了一大步，也给人类开启了更加广阔的太空探索之路。
在许多火箭公司认为回收火箭是不可能完成的任务时，Space X已经多次回收了自己的火箭，这将极大地降低发射费用。一枚崭新的猎鹰九号仅6000万美元，比美国联合发射同盟的同类火箭（德尔塔/Delta-4和宇宙神/Atlas-5）便宜一半以上，使用二手火箭更是再打7折。火箭的飞行费用仅需30万美元，只占火箭成本的0.5%，如果重复利用火箭，那么发射的极限费用只需要30万，而对手发射一次同类型的火箭需要1亿以上。物理学思维给了马斯克发射火箭成本的一个边界，而现在距离这个边界很远，马斯克有着很大的空间可以去施展拳脚，马斯克说火箭发射成本未来可以降到之前的1%并不是痴人说梦。
2017年Space X完成了18次发射。而2017年全球总共进行了90次航天发射任务，其中美国29次发射，中国18次，欧洲航天局9次（如图5所示）。
图5 2017全球航天发射次数和SpaceX 的发射次数
也就是说，Space X完成了美国超过一半数量的发射，相当于中国的发射次数，是欧洲的两倍。Space X的发射计划已经排到了若干年以后，预计会有超过50次的发射任务，总价值超过50亿美元。
Space X在2015年提出了星链网：计划发射4425颗提供高速上网和通信服务的卫星，为全球提供收费服务。这种超级WiFi，势必将改写整个网络时代的格局。
马斯克还提出了超级高铁计划，它是一种以“真空钢管运输”为理论核心的交通工具，时速可达760英里，也就是1200公里/小时，很多人认为超级高铁不可能实现，那么我们使用马斯克的物理学思维来分析一下（如图6所示）。
图6 超级高铁
超级高铁的逻辑很简单，火箭可以竖着打，为什么不能横着打。横着飞的火箭就是高铁。火箭可以达到38880公里/小时的速度（10.8公里/s），火车可以达到320公里/小时。那么从物理学思维的角度来说，如果以火箭的速度38880作为作为物理学极限，那么320距离38880还有很大的优化空间，1200公里/小时在物理学上并不是不可实现，只是需要多少精力和时间的问题。
从动量定理Ft=Δmv的角度来说，合外力决定成果，合外力F=动力-阻力。那么即使在不更换火车动力系统的前提下，减少火车运行的阻力也可以提高火车的速度，阻力越小，速度越快。真空中的阻力最小，所以超级高铁通过在真空管道中运行来降低阻力，从而提高速度。
京公网安备 11010802022788号
