▲ 電影《火星救援》（The Martian）中的赫爾墨斯號飛船具有巨大的旋輪結(jié)構(gòu)，在從地球前往火星的途中不停旋轉(zhuǎn)
北京時間 11 月 30 日消息，想象一下，當(dāng)你身處一個快速旋轉(zhuǎn)的機械裝置時，你會感受到一股力將你的身體壓在墻上或座位上。當(dāng)這種旋轉(zhuǎn)越來越快時，迫使你面對墻壁的壓力就會增加（相反，如果旋轉(zhuǎn)減慢，壓力也會減少）。你感受到的重量就像讓你的身體緊貼地面的重力一樣。
當(dāng)然，或許和大多數(shù)人一樣，你對這種旋轉(zhuǎn)力最激動人心的體驗可能來自游樂園的游樂設(shè)施。尤其是 19 世紀(jì)中期以來，出現(xiàn)了許多經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)設(shè)施，在給人們帶來大量歡樂的同時，也讓很多人嘔吐不已。
還有少數(shù)人，比如宇航員和軍事飛行員，會在載人離心機上會遇到同樣的現(xiàn)象。載人離心機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的這些很強的 “G 力”，也就是加速度。離心機測試也稱為抗 “G”測試，這里的 G 就是地球表面的重力加速度。1G 就是飛機平飛時，飛行器加上載重和駕駛員的重量，而當(dāng)飛行器改變速度或姿態(tài)時，就會產(chǎn)生正或負(fù)的 G 力。當(dāng)高性能飛機高速轉(zhuǎn)彎，或者乘坐火箭發(fā)射到太空，以及乘坐航天器返回地球大氣層時迅速減速等情況下，飛行員或宇航員們就會體驗到這種 G 力。
什么是人工重力？
諸如此類的旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生非常具有真實感的重力——更確切地說是人工重力。這能為你的身體提供重量。換句話說，你的骨骼和肌肉無法將其與地球或其他行星所提供的重量區(qū)分開來，盡管后者的來源純粹是行星的巨大質(zhì)量。
▲ 在諸如此類的旋轉(zhuǎn)游樂設(shè)施（圖中大約是 1950 年）中，你能體驗到人工制造的重力
幾十年來，科幻小說作家們一直在設(shè)想某種旋轉(zhuǎn)的宇宙飛船，可以在太空任務(wù)最長的時間段內(nèi)為宇航員創(chuàng)造人工重力。當(dāng)飛船加速上升或在大氣中減速，會產(chǎn)生額外的重力，但在時間最長的太空飛行期間，重力的影響被抵消，飛船會進(jìn)入失重狀態(tài)。
在科幻作品中，這種人工重力的兩個例子分別是 2015 年的電影《火星救援》（The Martian）和 1968 年的史詩電影《2001 太空漫游》（2001： A Space Odyssey）。前者的特色是一艘名為 “赫爾墨斯”號（Hermes）的星際飛船，它有一個巨大的旋輪結(jié)構(gòu)，可以在地球和火星之間的航程中不停旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鏡頭放大時，你會注意到，對于宇航員來說，赫爾墨斯號內(nèi)部的 “上”總是朝向旋輪的中心，而 “下”（即 “地面”），則是旋輪的邊緣?！?001 太空漫游》中的五號空間站是一個旋轉(zhuǎn)的空間站，它能產(chǎn)生相當(dāng)于月球重力的人工重力。
除了舒適之外，我們也有充分的理由在遠(yuǎn)距離太空任務(wù)中用到人工重力。在失重狀態(tài)下，我們的身體會發(fā)生一些變化，當(dāng)宇航員到達(dá)目的地（比如火星）或返回地球時，這些變化可能會對人體造成傷害。例如，骨骼會失去礦物質(zhì)（變軟且容易骨折）；肌肉萎縮（力量變?nèi)酰?；體液會流向頭部，也會從身體排出，引起心血管系統(tǒng)和肺部的變化；神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂。近年來，太空醫(yī)學(xué)研究人員還發(fā)現(xiàn)，一些宇航員的眼睛可能會受到永久性的損傷。此外，有研究表明，人類在太空中的正常懷孕可能需要重力，因此搭載人類在太陽系飛行的任何航天器要么應(yīng)該旋轉(zhuǎn)，要么飛船的某些部分應(yīng)該旋轉(zhuǎn)，這似乎是毫無疑問的。
研究人造重力
美國國家航空航天局（NASA）和其他機構(gòu)是否正在研究人工重力的可能性？答案是肯定的。自 20 世紀(jì) 60 年代以來，NASA 的科學(xué)家們就一直在考慮通過旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)人工重力的前景。然而，在過去的幾十年里，這方面的努力，以及相關(guān)的資金和熱情有漲有落。在 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng) NASA 致力于將人類送上月球時，有關(guān)人工重力的研究激增（當(dāng)時 NASA 的預(yù)算幾乎是整個聯(lián)邦政府的 5%，是今天的 10 倍）。
▲ 在德國科隆的德國航空航天中心（DLR）航空醫(yī)學(xué)研究所，有一臺短臂離心機設(shè)備（DLR Short-Arm Centrifuge，Module 1）。這是世界上唯一一個以這種手段研究重力改變?nèi)绾斡绊懭梭w健康，尤其是微重力下健康風(fēng)險的實驗設(shè)施
盡管 NASA 在過去的半個世紀(jì)里一直沒有強調(diào)對人工重力的研究，但無論是在該機構(gòu)內(nèi)部，還是在其他國家的航天機構(gòu)，科學(xué)家們都在研究一系列的情況。在國際空間站上，研究者將小鼠放入小型離心機，發(fā)現(xiàn)它們在旋轉(zhuǎn)時安然無恙；在地球上，也有一些人在學(xué)習(xí)如何適應(yīng)旋轉(zhuǎn)的室內(nèi)環(huán)境，比如美國布蘭戴斯大學(xué)的阿什頓 · 格雷貝爾空間定位實驗室就有這樣的實驗設(shè)施。在德國科隆的德國航空航天中心（DLR）航空醫(yī)學(xué)研究所，有一臺短臂離心機設(shè)備（DLR Short-Arm Centrifuge，Module 1），這是世界上唯一一個以這種手段研究重力改變?nèi)绾斡绊懭梭w健康，尤其是微重力下健康風(fēng)險的實驗設(shè)施。
為什么還沒有旋轉(zhuǎn)的宇宙飛船？
但是，如果人工重力的必要性如此明確，為什么還要在太空或地球上進(jìn)行研究呢？為什么工程師們不直接開始設(shè)計像赫爾墨斯號那樣的旋轉(zhuǎn)飛船呢？
答案是，人工重力需要權(quán)衡，因為旋轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生問題。正如在旋轉(zhuǎn)游樂設(shè)施中，在高轉(zhuǎn)速的情況下轉(zhuǎn)動頭部會讓你感到惡心。旋轉(zhuǎn)還會影響體液在你的內(nèi)耳和其他身體部位的流動。旋轉(zhuǎn)的速度越快，惡心、定向障礙和運動問題就會越嚴(yán)重。當(dāng)然，人造重力的強度取決于轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)物體的大小。
要體驗一個給定的重力——比如在地球上通常感受到的重力的一半——旋轉(zhuǎn)半徑的長度（從你在地板上站立的位置到旋轉(zhuǎn)物體中心的距離）決定了旋轉(zhuǎn)的速度。建造一個半徑為 225 米的輪狀飛行器，可以在每分鐘 1 轉(zhuǎn)（1RPM）的速率下產(chǎn)生完全的地球重力（即 1G）。這樣的速度足夠慢，科學(xué)家們非常確信沒有人會感到惡心或迷失方向。
除了地板有些彎曲之外，旋輪飛船上的東西看起來和正常狀態(tài)沒什么兩樣。但是，在太空中建造和運行這樣一個龐大的結(jié)構(gòu)將會帶來許多工程上的挑戰(zhàn)。
這也意味著，NASA 和其他任何可能在未來將人類送上太陽系的太空機構(gòu)或組織需要考慮更低的重力或更高的轉(zhuǎn)速——或者兩者兼而有之。事實上，月球表面的重力僅為地球表面的 16%，這使其成為研究低重力（相對于失重）影響的絕佳場所，但由于月球上還沒有實驗室，因此根本沒有足夠的數(shù)據(jù)來了解長期太空任務(wù)或建立太空殖民地時人類所需的最低重力條件。這些數(shù)據(jù)以及人類可以合理承受多少轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，在人工重力研究中都是必要的。也許未來宇宙飛船上的人工重力不必完全和地球一樣，但也足夠保持宇航員的健康。
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