關於《星際穿越》的故事,有一個令人驚訝卻鮮為人知的事實。一到達美國宇航局的設施,庫珀首先把目光放在了巨大的圓柱形宇宙飛船上,它將拯救地球上剩下的人類。在世界的其他地方,有幾艘這樣的船正在建造中。人們將登上飛船,前往太空,在環繞土星的軌道上開始他們的新生活,這是對他們艱難掙扎的家園的最後告別。但這些飛船很重,不可能輕易擺脫地球的引力。物理學家基普·索恩的著作《星際科學》揭示了飛船之所以能夠進入太空,是因為塔斯的量子數據使墨菲能夠控制重力異常。她降低了地球引力的強度,使飛船更容易飛出大氣層,然後在升空後恢復了地球的原始強度。
然而,地球引力的降低意味著地球核心不再被巨大的壓力和重量所控制。它會開始向上移動,擠壓地殼,導致毀滅性的地震和海嘯現在席捲全球。我們這個時代的文物就會被山巒淹沒。一旦重力恢復正常,地球將恢復正常大小,再次引發強大的自然災害。地球上最後的旅行者在毀滅性的毀滅過程中離開了這個星球,最終消滅了地球上大部分的人類生命。
但是關於星際飛船還有一件事需要注意。那是一個巨大的離心機。飛船在太空中旋轉,為乘客提供人工引力。這不會是真正的引力,因為產生任何可觀的引力的唯一途徑是擁有巨大的質量(行星和恆星規模上的質量)。但是旋轉飛船可以模擬重力的影響,讓人們四處走動而不是漂浮。他們還可以避免太空旅行對人體造成的許多退化影響。
這不僅僅是一個聰明的計劃。人工重力將是載人火星任務和其他任務的必要組成部分。即使太空人有嚴格的鍛鍊習慣,太空的低重力環境仍然會對他們的健康產生負面影響,使他們返回地球的過渡變得困難而痛苦。
飛船的旋轉會產生引力的錯覺。這是因為離心力取代了重力,讓你的身體感覺好像受到了引力場的作用。離心力會把人拉到飛船的牆上,把他們往外拉。然而,與此同時,飛船有一個向內的向心力和反向心力。這種推力和拉力的結合使乘客能夠正常走動,而不是漂浮在空中。這與地球將我們向下拉的方式並沒有什麼不同,但同時它的表面也會向上推我們的腳。
這些旋轉太空飛行器的設計往往是圓柱形、球形或環形。這些設計的半徑,以及旋轉速率,將決定模擬重力的強度。這些參數可以調整,使乘客感受到與在地球上差不多的重力。
因為它只是模擬的重力而不是真實的重力,所以會有一些我們在地球上沒有經歷過的迷失方向的效果。例如,科氏力會導致物體下落到地面時路徑彎曲。從飛船高處扔下某樣東西就意味著這個物體不會沿直線落下。
就像《星際穿越》裡的宇宙飛船一樣,建造一個巨大的旋轉飛行器,然後把它發射到太空中是一個巨大的挑戰。為了承受不斷的旋轉,飛船必須由耐用的材料製成。這意味著建築過程必須直接在太空中進行,而不是在地球上。即使是現代的火箭都是由輕質材料製成的,這既可以使它們更容易被送入太空,也可以考慮到在地球大氣層之外發射任何東西的巨大成本。雖然SpaceX等公司可能降低了成本,但發射到軌道上的成本仍在每磅2500美元左右。
一艘旋轉的船還需要考慮保持旋轉所需的燃料。到目前為止,與建造一個旋轉空間站相比,讓太空人進行嚴格的日常鍛鍊是相當安全的,而且花費要少得多。但是,如果研究表明,在較長的旅程中,低重力條件太有害,人造重力將成為必需品,而不是奢侈品。
NASA過去曾設計過這樣的飛行器。他們的「Nautilus-X」旨在成為一種可重複使用的運載工具,既可用於月球任務,也可用於更深的空間任務。發動機和燃料可以更換,並為每個具體任務定製。離心機將包括可充氣的結構,整個飛船將花費大約5年時間和37億美元建造。不幸的是,由於利益的轉移和預算的削減,這一計劃從未實現。
儘管在科幻小說中,人工引力司空見慣,但在現實生活中卻很少有方法去創造它。另一種更具試探性的方法是發現引力質量為負的粒子。據我們所知,引力總是吸引具有正質量的粒子。如果一些外來粒子確實具有負質量,因而具有引力斥力,那麼在一個房間裡排列它們就會導致引力場把我們拉下來。這種奇異的材料還能保護乘客在太空旅行中免受加速力的影響。
到目前為止,還沒有已知的粒子產生引力斥力,儘管反物質已經被證明可能存在。物理學家相信,未來幾年的研究將有助於確定斥力是否是反物質粒子的一種屬性,這一發現將改變我們對宇宙的理解。
《星際穿越》中旋轉的飛船總是使我著迷的一件事是它有多像一個時鐘。它提醒我們時間的流逝,即使是在一個本身似乎是永恆的地方。就像我們沒有找到操縱時間的方法一樣,我們還沒有找到操縱引力的方法。他們逃避我們,並提醒我們,即使現在在我們這個技術發達的世界,仍然有一些事情是我們無法控制的。如果我們能控制其中任何一種,情況將會多麼不同。引力帶來了毀滅行星和恆星的力量,最終讓我們了解黑洞。一些理論甚至提出,引力在維度間移動,從我們的世界滑落到其他許多維度。但我們將不得不夢想在有一天參觀其他維度。現在我們被困在一個旋轉的星球上,希望有一天能登上一艘旋轉的飛船,帶我們深入宇宙。