把人工重力带进太空

张唯诚

一个围绕火星运行的空间站，其巨大的环可以旋转，给驻留在里面的宇航员带来人工重力（想象图）

在很多影视剧中，人们在宇宙飞船上走动就像在地球上行走一样。然而，在现实的太空任务中，宇航员是处于漂浮状态的。影视剧中呈现的虚构的世界存在着人工重力，而目前，在现实世界的太空飞行中，人工重力还未出现，但它可能离现实并不遥远了。

有质量的物体相互吸引，质量很大的物体，比如地球，会把周围的物体向自身的中心吸引，这就是为什么我们能脚踏实地的缘故。不过，重力随着距离的增加而减小，所以当人们离开地球去月球或火星旅行时，地球的引力很快减弱，这就是宇航员在太空漂浮的原因。

这种场景看似挺有趣，但对于生命体而言，并不是件好事。从长远来看，在失重环境下，我们的骨骼和肌肉不能有效地工作，因为失重削弱了它们。同时，在失重的环境下，人体血液和其他体液无法正常流动，只能聚集在上半身，这种情况下可以使人失去听力。此外，在失重状态下漂浮，我们还会莫名地呕吐。

然而，人们对此并非束手无策。美国搜寻地外智慧文明研究所（SETI）的物理学家米卡·麦金农认为：“我们知道很多方法，它们能产生与重力相同的效果。”至少，一些简单的策略已经应运而生了。他解释道：“有一种方法是用电和磁来代替重力。你可以让电绕圆圈流动以产生磁场。”电的流动产生了磁性，宇航员要做的就是穿上金属靴子，金属和磁铁之间的吸引力会帮助他们在地板上正常地行走，有助于减少骨骼和肌肉的损耗。但宇航员被粘在地板上行走，毕竟和重力不是一回事。在这种情况下，宇航员的体液仍会在上半身聚集，胃部还是很不舒服。

科学家当然可以尝试驾驭真正的重力。由于任何有质量的东西都有引力，一个简单的设想就是制造出一个足够大的质量环境。米卡·麦金农介绍道：“你可以先制造一颗行星，然后你就有足够的重力了。”不过，要制造一颗行星或者随身携带一颗行星很不方便，它们实在太大了，需要占据很大的空间。解决的办法就是将大量的质量转移到一个非常小的区域里去。例如，中子星密度极高，一茶匙的中子星物质就能给予我们足够的重力。如果是黑洞，那么就只需要笔尖那么一点就够了。中子星和黑洞的密度都很高，所以只需要一点点就能产生巨大的引力。

但是，你又如何把一个黑洞，哪怕是很小的黑洞，放置到宇宙飞船中去呢？答案是迄今尚无法完成这样的工程。

假若你参加过某种形式的旋转游戏，你也许会感觉到人工重力。当你在一个巨大的旋转体内部时，你会感到一种朝外的拉力，这是惯性导致的。我们感觉到的惯性是离心力，这种力似乎把我们甩到了旋转物体的外边缘。在太空中，你所需要的要么是一艘旋转得很快的小型太空船，要么是一艘旋转得很慢的大型太空船。不管怎样，旋转都会把我们甩向外墙。

相对于磁铁，旋转是一种改进，因为在旋转中，人体血液和体液会像在地球上一样在体内流动。当你走路或跑步时，骨骼和肌肉会感到拉力。

这种系统的一个版本被称为“奥尼尔圆柱”，它以美国物理学家杰拉德·奥尼尔的名字命名。20世纪70年代，杰拉德·奥尼尔在他的学生的帮助下，证明了这种系统在理论上是可行的。奥尼尔圆柱是一个巨大的太空栖息地，人们生活在一对巨大的圆柱体中，圆柱体从太阳那里获得能源，并以相反的方向旋转，这样便可获得人工重力并能保持在恒定的位置上。

然而，它的结构实在是太大了。这种建造在太空的人类栖息地足有8千米宽，32千米长，可以容纳大约100万人居住。这样的结构可以在地球上建造，但如何将32千米长的物体送入太空呢？一个相对简单且成本低廉的选择是在太空中组装它，不过这同样不易。

奧尼尔圆柱即O'Neill Cylinder 太空舱

科学家们希望在太空中实现人工重力，但并不一定非要建造奥尼尔圆柱。例如，一个旋转的房间是否也可以给宇航员带来人工重力呢？答案是肯定的。较小的旋转体同样可以提供与奥尼尔圆柱相同的效果，只是物体越小，旋转的速度就得越快，这样你才会有重力感。不过这样一来，麻烦也产生了，因为你的胃部可能会很不舒服。

更重要的是，在旋转的物体上，人们会受到科里奥利效应的影响。科里奥利效应指的是一种在旋转坐标系中移动的物体发生偏转的现象。当没有附着在行星地面上的物体，相对于旋转的行星以高速运动或进行长距离运动时，这种偏转就会发生。即当一个物体在空中飞行时，相对的地面也在行星的旋转中移动，所以物体会有一点偏转，落向一边。大多数的时候，这种偏转非常小，你根本不会注意到。

在快速旋转的宇宙飞船中，当你举起手臂时，你的手臂会被迫偏向一边。但旋转对手臂的影响可能微不足道，对大脑的影响才是强烈的。科罗拉多大学博尔德分校的航空航天工程师凯瑟琳·布雷特尔指出，人们在快速旋转的圆柱体中会产生“交叉耦合错觉”。当人们坐在旋转的过山车中，或者在旋转的空间站里，他们向前看时感觉通常很好，但转头时常会有一种翻滚的感觉。

幸运的是，凯瑟琳·布雷特尔找到了解决的方法。在一项研究中，她和同事们让参与研究的志愿者坐在旋转椅上接受科学的训练。每个志愿者每天在旋转椅上训练25分钟，如此一共持续10天。椅子一开始转得很慢，一分钟才转一圈。随着时间的推移，慢慢提高速度。大约10天后，志愿者可以忍受每分钟超过11圈的旋转。经过50天的训练，他们平均每分钟可以旋转25圈以上。凯瑟琳·布雷特尔总结道：“迄今还没有任何人呕吐过。奥尼尔圆柱可能距离我们还很遥远，但为宇航员提供人工重力并不一定要那么大、那么昂贵的系统。”这样一来，人工重力也许就不那么遥远了。