張唯誠(chéng)

一個(gè)圍繞火星運(yùn)行的空間站，其巨大的環(huán)可以旋轉(zhuǎn)，給駐留在里面的宇航員帶來(lái)人工重力（想象圖）

在很多影視劇中，人們?cè)谟钪骘w船上走動(dòng)就像在地球上行走一樣。然而，在現(xiàn)實(shí)的太空任務(wù)中，宇航員是處于漂浮狀態(tài)的。影視劇中呈現(xiàn)的虛構(gòu)的世界存在著人工重力，而目前，在現(xiàn)實(shí)世界的太空飛行中，人工重力還未出現(xiàn)，但它可能離現(xiàn)實(shí)并不遙遠(yuǎn)了。

有質(zhì)量的物體相互吸引，質(zhì)量很大的物體，比如地球，會(huì)把周圍的物體向自身的中心吸引，這就是為什么我們能腳踏實(shí)地的緣故。不過(guò)，重力隨著距離的增加而減小，所以當(dāng)人們離開地球去月球或火星旅行時(shí)，地球的引力很快減弱，這就是宇航員在太空漂浮的原因。

這種場(chǎng)景看似挺有趣，但對(duì)于生命體而言，并不是件好事。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在失重環(huán)境下，我們的骨骼和肌肉不能有效地工作，因?yàn)槭е叵魅趿怂鼈?。同時(shí)，在失重的環(huán)境下，人體血液和其他體液無(wú)法正常流動(dòng)，只能聚集在上半身，這種情況下可以使人失去聽力。此外，在失重狀態(tài)下漂浮，我們還會(huì)莫名地嘔吐。

然而，人們對(duì)此并非束手無(wú)策。美國(guó)搜尋地外智慧文明研究所（SETI）的物理學(xué)家米卡·麥金農(nóng)認(rèn)為：“我們知道很多方法，它們能產(chǎn)生與重力相同的效果?！敝辽?，一些簡(jiǎn)單的策略已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生了。他解釋道：“有一種方法是用電和磁來(lái)代替重力。你可以讓電繞圓圈流動(dòng)以產(chǎn)生磁場(chǎng)。”電的流動(dòng)產(chǎn)生了磁性，宇航員要做的就是穿上金屬靴子，金屬和磁鐵之間的吸引力會(huì)幫助他們?cè)诘匕迳险５匦凶?，有助于減少骨骼和肌肉的損耗。但宇航員被粘在地板上行走，畢竟和重力不是一回事。在這種情況下，宇航員的體液仍會(huì)在上半身聚集，胃部還是很不舒服。

科學(xué)家當(dāng)然可以嘗試駕馭真正的重力。由于任何有質(zhì)量的東西都有引力，一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)想就是制造出一個(gè)足夠大的質(zhì)量環(huán)境。米卡·麥金農(nóng)介紹道：“你可以先制造一顆行星，然后你就有足夠的重力了?！辈贿^(guò)，要制造一顆行星或者隨身攜帶一顆行星很不方便，它們實(shí)在太大了，需要占據(jù)很大的空間。解決的辦法就是將大量的質(zhì)量轉(zhuǎn)移到一個(gè)非常小的區(qū)域里去。例如，中子星密度極高，一茶匙的中子星物質(zhì)就能給予我們足夠的重力。如果是黑洞，那么就只需要筆尖那么一點(diǎn)就夠了。中子星和黑洞的密度都很高，所以只需要一點(diǎn)點(diǎn)就能產(chǎn)生巨大的引力。

但是，你又如何把一個(gè)黑洞，哪怕是很小的黑洞，放置到宇宙飛船中去呢？答案是迄今尚無(wú)法完成這樣的工程。

假若你參加過(guò)某種形式的旋轉(zhuǎn)游戲，你也許會(huì)感覺(jué)到人工重力。當(dāng)你在一個(gè)巨大的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部時(shí)，你會(huì)感到一種朝外的拉力，這是慣性導(dǎo)致的。我們感覺(jué)到的慣性是離心力，這種力似乎把我們甩到了旋轉(zhuǎn)物體的外邊緣。在太空中，你所需要的要么是一艘旋轉(zhuǎn)得很快的小型太空船，要么是一艘旋轉(zhuǎn)得很慢的大型太空船。不管怎樣，旋轉(zhuǎn)都會(huì)把我們甩向外墻。

相對(duì)于磁鐵，旋轉(zhuǎn)是一種改進(jìn)，因?yàn)樵谛D(zhuǎn)中，人體血液和體液會(huì)像在地球上一樣在體內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)你走路或跑步時(shí)，骨骼和肌肉會(huì)感到拉力。

這種系統(tǒng)的一個(gè)版本被稱為“奧尼爾圓柱”，它以美國(guó)物理學(xué)家杰拉德·奧尼爾的名字命名。20世紀(jì)70年代，杰拉德·奧尼爾在他的學(xué)生的幫助下，證明了這種系統(tǒng)在理論上是可行的。奧尼爾圓柱是一個(gè)巨大的太空棲息地，人們生活在一對(duì)巨大的圓柱體中，圓柱體從太陽(yáng)那里獲得能源，并以相反的方向旋轉(zhuǎn)，這樣便可獲得人工重力并能保持在恒定的位置上。

然而，它的結(jié)構(gòu)實(shí)在是太大了。這種建造在太空的人類棲息地足有8千米寬，32千米長(zhǎng)，可以容納大約100萬(wàn)人居住。這樣的結(jié)構(gòu)可以在地球上建造，但如何將32千米長(zhǎng)的物體送入太空呢？一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低廉的選擇是在太空中組裝它，不過(guò)這同樣不易。

奧尼爾圓柱即O'Neill Cylinder 太空艙

科學(xué)家們希望在太空中實(shí)現(xiàn)人工重力，但并不一定非要建造奧尼爾圓柱。例如，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的房間是否也可以給宇航員帶來(lái)人工重力呢？答案是肯定的。較小的旋轉(zhuǎn)體同樣可以提供與奧尼爾圓柱相同的效果，只是物體越小，旋轉(zhuǎn)的速度就得越快，這樣你才會(huì)有重力感。不過(guò)這樣一來(lái)，麻煩也產(chǎn)生了，因?yàn)槟愕奈覆靠赡軙?huì)很不舒服。

更重要的是，在旋轉(zhuǎn)的物體上，人們會(huì)受到科里奧利效應(yīng)的影響?？评飱W利效應(yīng)指的是一種在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中移動(dòng)的物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)沒(méi)有附著在行星地面上的物體，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的行星以高速運(yùn)動(dòng)或進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種偏轉(zhuǎn)就會(huì)發(fā)生。即當(dāng)一個(gè)物體在空中飛行時(shí)，相對(duì)的地面也在行星的旋轉(zhuǎn)中移動(dòng)，所以物體會(huì)有一點(diǎn)偏轉(zhuǎn)，落向一邊。大多數(shù)的時(shí)候，這種偏轉(zhuǎn)非常小，你根本不會(huì)注意到。

在快速旋轉(zhuǎn)的宇宙飛船中，當(dāng)你舉起手臂時(shí)，你的手臂會(huì)被迫偏向一邊。但旋轉(zhuǎn)對(duì)手臂的影響可能微不足道，對(duì)大腦的影響才是強(qiáng)烈的?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校的航空航天工程師凱瑟琳·布雷特爾指出，人們?cè)诳焖傩D(zhuǎn)的圓柱體中會(huì)產(chǎn)生“交叉耦合錯(cuò)覺(jué)”。當(dāng)人們坐在旋轉(zhuǎn)的過(guò)山車中，或者在旋轉(zhuǎn)的空間站里，他們向前看時(shí)感覺(jué)通常很好，但轉(zhuǎn)頭時(shí)常會(huì)有一種翻滾的感覺(jué)。

幸運(yùn)的是，凱瑟琳·布雷特爾找到了解決的方法。在一項(xiàng)研究中，她和同事們讓參與研究的志愿者坐在旋轉(zhuǎn)椅上接受科學(xué)的訓(xùn)練。每個(gè)志愿者每天在旋轉(zhuǎn)椅上訓(xùn)練25分鐘，如此一共持續(xù)10天。椅子一開始轉(zhuǎn)得很慢，一分鐘才轉(zhuǎn)一圈。隨著時(shí)間的推移，慢慢提高速度。大約10天后，志愿者可以忍受每分鐘超過(guò)11圈的旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)50天的訓(xùn)練，他們平均每分鐘可以旋轉(zhuǎn)25圈以上。凱瑟琳·布雷特爾總結(jié)道：“迄今還沒(méi)有任何人嘔吐過(guò)。奧尼爾圓柱可能距離我們還很遙遠(yuǎn)，但為宇航員提供人工重力并不一定要那么大、那么昂貴的系統(tǒng)。”這樣一來(lái)，人工重力也許就不那么遙遠(yuǎn)了。