失重是太空帶給所有人的第一直觀印象，因此在諸多太空科幻作品中都能看到人工重力這個概念的存在，但由於藝術正確和拍攝方便優先而非科學正確優先的本質，這些作品在不同程度上都做了妥協。現在就讓我們從科學的角度，當一回吹毛求疵的死理性派，來分析下在大家熟知的幾部太空科幻作品中，所展現的人工重力的科幻和現實。
本文作者：Saturn V，已經為其開啟獨立讚賞帳戶。
首先先說明下，重力或稱引力，本質上並不是力，愛因斯坦的廣義相對論已經證明引力不過是質量對時空造成的扭曲所表現出來的假象。
不過從對人的影響和工程設計建造的級別來講，稱呼為力並無什麼不妥，而之所以叫人工重力而不是人工引力則是為了體現對人的重要性。眾所周知在地球上生活的一切無時無刻都在承受著大約9.8m/s^2的加速度，在1G環境下經過數千年進化而來的人類，使得我們的身體非常依賴這個看似是負擔的加速度。長時間的失重狀態會導致骨質疏鬆變脆，肌肉萎縮變軟，甚至由於沒有重力幫助身體判定上下左右，人類會失去空間感和方向感。注意這裡說的是失重狀態而不是失重，比如國際空間站中所展現出來的「失重」其實只是太空人和空間站一起的無限自由落體（這是重點，請注意，主頁菌注），並沒有真正離開地球的引力只是表現出了失重的狀態。
航天員並非不受地球引力作用，只不過是處在一個無限下墜的過程
太空科幻作品中的人工重力大致分為三種，先進科技式，旋轉式和線性加速式。其實第一種的正確名稱應為「魔法」重力，及以星球大戰，星際迷航，宇宙戰艦大和號等為代表的，帶有濃重玄幻色彩的人工重力。仔細看就會發現，上述三個作品中從未解釋過飛船內部的1G重力具體是如何產生的。為了讓宇宙飛船能參考現代船隻設計，太空歌劇類作品總設定人類在未來掌握了一種在飛船底部直接人造重力的科技。顯然從科學角度上講這是幾乎不可能的，且若人類真掌握了直接操縱重力的科技，更有可能的是建造利用重力推進的飛船或者重力武器，而不是只放在飛船底部當作人工重力。總而言之太空歌劇之所以叫「歌劇」是有根本性原因的，人工重力這第一關就過不了科學的審核。
「赫耳墨斯」號（出自科幻電影《火星救援》）
在相對硬科幻的太空科幻作品中，旋轉式人工重力十分常見。旋轉式的原理是通過旋轉產生的向心加速度來模仿重力加速度，以此來實現人工重力。在2015年上映的著名NASA宣傳大片「火星救援」中，用於在地火之間往返的「赫耳墨斯」號飛船在船體中央設有一個旋轉式的圓盤，在圓盤邊緣的4個居住模組中便有旋轉式人工重力。略帶彎曲的居住模組內部構造在電影中有充分展示，可以看到在裡面的太空人和在地球上生活無異。
居住模組大小，圖中在模組中的為演員凱特•瑪拉
在2014年上映的諾蘭燒腦科幻大片「星際穿越」中，主角團們乘坐的探險船「永恆」號更是直接通過旋轉飛船整體來為在飛船外圍的居住模組提供人工重力。電影中更有詳細展示飛船內部從零重力逐漸到1G重力的過程，甚至有展示太空人不適應旋轉式重力而頭暈的現象，具體為何會不適應後文中會提及。這也就引出了作為死理性派對於上述兩個常人眼裡已非常科學的科幻作品的質疑，旋轉式重力固然符合物理理論，但電影中展示的比例是否科學呢？
「永恆」號
通過以上公式可看出，向心加速度（a）是圓周半徑（R）乘以角速度（w）的平方，也就是說若要達到1G的向心加速度，要不增加圓周半徑要不增加旋轉速度（及角速度）。而根據「火星救援」電影裡的預估，人工重力模組的角速度大約為0.109弧度/秒，而根據演員凱特•瑪拉的身高和電影中展示的她和整個旋轉模組的比例，預估旋轉模組半徑大約為15米，可算出向心加速度僅0.178米/秒，也就是只有大約不到0.02G，毫無疑問太空人在這樣的旋轉模組中是不可能和地球上一樣的。顯然在具體比例上，「火星救援」電影也走了太空歌劇的藝術正確優先於科學正確的老路。
顯然以這樣的比例是無法達到人工重力的
星際穿越裡的「永恆」號又如何呢？同樣根據電影中展示畫面預估，「永恆」號的旋轉速度大約為0.55弧度/秒，半徑約為32米，因此可計算出「永恆」號內向心加速度為9.68米/秒，已和1G幾乎無異。諾蘭果然不負其嚴謹的一貫作風，在飛船的比例上也沒有馬虎完全符合計算。一個充滿著蟲洞黑洞和高維空間的科幻片居然比一個火星種土豆的科幻片還要科學，驚不驚喜意不意外？
「永恆」號設計圖
那麼如果按照實際向心力計算，「赫耳墨斯」號應該是什麼樣子的呢？火星救援小說中有寫人工重力模組內只有0.4G，按照0.109弧度/秒的角速度計算，旋轉模組半徑需要整整329米。這是什麼概念呢，波音777的翼展61米，也就是「赫耳墨斯」號的半徑至少是5架波音777的翼展，如此龐大的旋轉機構估計幾個IMAX電影屏幕都展示不下。而若維持15米的旋轉半徑，則要達到0.4G需要大約0.52弧度/秒的角速度，也就是4.96RPM（每分鐘轉速），這已經和「永恆」號非常接近了。但是符合物理就完了嘛？對於人類所能承受最快轉速是多少至今科學界仍有爭議，但一般認為長時間處在3RPM或以上環境下會造成嚴重不適，4.96RPM的宇宙飛船毫無疑問是不可取的。真是可惜，「星際穿越」通過了物理的科學考核，卻沒能通過生物的科學考核。
真正符合所有科學的旋轉式人工重力飛船是什麼樣子的呢？上圖中展示的美劇「無垠太空」（或譯為蒼穹浩瀚）中小行星帶聯盟的旗艦「巨獸」號（Behemoth）便是很好的例子。「巨獸」號正如其名是一艘巨艦，外觀上頗似一個巨大的圓柱體，通過半徑450米的巨型旋轉機構為艦內提供人工重力。按照劇中設定「巨獸」號原名為Nauvoo，是一艘為了星際航行而設計的世代殖民宇宙飛船，為了在慣性漂流時提供重力，飛船中部可通過旋轉來產生1G的向心加速度。按照450米的半徑計算「巨獸」號達到1G只需要維持0.148弧度/秒的旋轉即可，也就是僅1.4RPM，完全在人類可接受範圍之內。當然為驅動龐大的旋轉機構，「巨獸」號內有數個核反應堆提供動力，最少人員編制也有4000餘人，在「無垠太空」的世界觀裡可謂一個奇葩。
片中巨獸號啟動的片段，推薦觀看
（此劇評分一路走高，第三季豆瓣評分已高達9.5分，是近年來難得的高分科幻劇集）
「巨獸」號內部巨大的旋轉機構
值得一提的是旋轉式人工重力並不是「巨獸」號提供人工重力的唯一方式，事實上在「無垠太空」的宇宙中，艦船用旋轉式人工重力非常少見，固定空間站和小行星殖民地上使用的更多，線性加速才是被所有民用和軍用宇宙飛船採用的人工重力方式。
對於人來說，左和右感受到的是一樣的。
早在思考廣義相對論的時候，愛因斯坦便提出如果引力是作為人向地面的壓力而存在，那麼如果有一個力可以把地面推向人並保持9.8m/s^2的加速度，那麼對於人來說這個力的感覺便和引力一樣了。換句話說如果一個飛船可以保持任意方向持續1G的加速度，那麼飛船內的人便會感覺和在地球一樣。「無垠太空」中的飛船不管是布局還是構造都像在底層安裝了引擎的摩天大樓，而不像其他太空科幻中參考的現代艦船。在這樣的飛船中船尾引擎對應的不是後而是下，船艏對應的不是前而是上，每層甲板如樓層一般布置，因此飛船在持續1G加速或者持續1G減速時便能在內部產生線性加速度，進而構成人工重力。
是不是有在看摩天大樓的錯覺？
值得一提的是維持1G的加速度也是一種非常高效的太空飛行方式。以從地球去火星為例，現階段的方法為在地火轉移窗口時通過短時間的加速把載荷提升到一定速度後依靠慣性飛抵火星，而後再利用火星引力和大氣來完成減速，最短也需要至少半年的時間抵達火星。如果採用維持1G加速度的方式，前半段航程加速後半段航程掉頭減速，則最短可在1.9天內到達火星。對你沒看錯，儘管1G的加速度看似不多，但保持加速度便能如滾雪球一樣為飛船帶來極快的飛行速度，僅需1天22小時便可覆蓋現在180餘天才能覆蓋的距離。
起始速度為0，維持數天便可離開太陽系
若維持一年則已跨越一半光年（註：此時速度已經接近光速，固不可能維持超過一年的持續1G加速度）
既然如此高效為何現在沒有飛船使用呢？原因在於要維持1G的加速度需要引擎有足夠推力的同時還要有極高的燃料利用率，也就是常說的比衝。「無垠太空」中的飛船能保持1G加速飛行，是因為火星人所羅門艾普斯丁發明了一種採用磁圈電離燃料推進的引擎，可以理解為現代離子推進器的超級升級版本。得益於「艾普斯丁引擎」高達1100000s的比衝，「無垠太空」中的艦船才能在線性人工重力的環境下短時間跨越太陽系，可以說該劇中人類能對太陽系內各星體完成殖民，「艾普斯丁」引擎功不可沒。當然哪怕再符合科學科幻也還是科幻，現在NASA所測試的持續工作時間最長（約12小時）的X3離子推進器比衝僅3100s，和「艾普斯丁引擎」有著數個數量級的差距，推力更完全沒有可比性。
NASA測試的X3離子推進器的噴口，和傳統火箭引擎錐狀噴口大不相同
和旋轉式人工重力相比，線性加速式人工重力的缺點在於飛船不能靜止，但優點在於由於不需要龐大的旋轉機構，不管多大還是多小的飛船都可以使用。除此之外線性加速還沒有旋轉式的副產品，科氏力。科氏力簡而言之便是因為旋轉的慣性，原本直線的運動會拐彎偏移，本質其實也不是力。北半球檯風逆時針旋轉南半球檯風順時針旋轉，便是地球自轉產生的科氏力的結果。
受科氏力影響北半球檯風逆時針旋轉
我們在日常生活中沒有感受，是因為地球半徑很大且自轉速度僅為0.000696RPM，所以旋轉所產生的科氏力很小，只有在時空尺度非常大的人造物體上才有表現，比如長途飛機和洲際彈道飛彈等。不過對於旋轉式人工重力而言則不同，由於旋轉角速度遠高於0.000696RPM且旋轉半徑遠小於地球，科氏力的影響會變得非常明顯，這一點在「無垠太空」中位於小行星帶的穀神星人工空間站中便有最直觀體現。
穀神星空間站內部構造
穀神星自身質量不大引力微弱到可忽略不計，為了在穀神星空間站中製造人工重力，整個穀神星都被施加了旋轉以達到1G的加速度。結果便是如下圖所示，原本應垂直下落的威士忌「拐彎」落入了杯中，且從酒是向左傾斜還可看出穀神星空間站是逆時針旋轉的。顯然對於習慣地球重力的人來說，穀神星空間站的生活會非常難受，剛剛到達時很容易產生頭暈嘔吐等症狀。這也是為何儘管「巨獸」號有旋轉式人工重力艙，其絕大多數時候依然採用線性加速來提供人造重力。這裡不得不說，「無垠太空」是到現在為止，在多如牛毛的科幻片中唯一一個將人工重力以幾乎完全符合科學的形式展出出來的作品。（主頁君註：有關本片的科幻設定，我們精選了一篇知乎回答，有興趣可以點擊文末的查看原文來瀏覽）
《無垠太空》中在穀神星空間站內倒酒的片段
何為科幻？科學幻想之所以有科學的前綴正是因為這不只是幻想，而是對未來可能性的一種暢想。現在所熟知的火箭發射倒計時形式，是源自德國導演弗裡茨•朗在1928年拍攝的科幻電影「月亮上的女子」（Frau im Mond），當中為了能戲劇化火箭發射而刻意讓發射人員從10數到0。結果該設計被馮布勞恩為首的德國火箭研究者所喜愛，大喊出來最後10秒的倒計時便這樣字面意義上以戲劇化的方式成為了火箭發射必不可少的一部分。或許人們對太空科幻裡人工重力的熱愛，並不只是為了體會作品中天馬行空的想像，更是期望科幻中所展示的未來能有朝一日照進現實。
畢竟從科幻到現實，總共只用了104年。（主頁菌註：上圖出自法國科幻作家儒勒·凡爾納的小說《從地球到月球》，成書於1865年，該書描繪了三名探險者乘坐超級大炮的炮彈前往月球探索的故事。限於當時的航天認識水平，書中的探月方案實際是完全不可行的，但該書和實際的阿波羅登月計劃相比也有諸多的巧合，比如都是三人探月，出發點都為卡納維拉爾角等。此外更有趣的是，該書於1903年發行了首個中譯本，譯者魯迅，由日文版轉譯而成的，當時譯名為《月界旅行》）
（全文完）
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