人類可以在太空中製造重力嗎?

2020-12-03 天文在線

有沒有可能在太空中創造出重力來?如果可以,應該怎麼做?如果不能,又是因為我們欠缺了什麼呢?

在太空中,通過旋轉太空飛行器或空間站來創造「人造重力」是可行的。當空間站旋轉時,離心力會把人向外拉,這個過程可以用來模擬重力。但是它不會完全相同,因為更大的科裡奧利力(對旋轉體系中進行直線運動的質點,由於慣性,相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。科裡奧利力來自於物體運動所具有的慣性。)同時也會出現,所以這時軌跡會落入曲線而非直線。

問:我正在讀關於太空殖民的文章,然後我看到了一些對於圓柱形空間站內部狀況設想的圖片。裡面有許多層陸地,所以如果你站在一層陸地上抬起頭來,你會俯視你上層的人。這時引力如何作用呢?你上一層的引力不會把你拉起來嗎?

答: 如上所述,在空間站製造人造重力可能的方法是使用旋轉系統(如旋轉圓筒,圓環或球體)。 從技術上來講,旋轉能夠產生與重力相同的效果,因為它產生的離心力一定程度上與重力很相似。而通過調整空間站的某些參數(例如半徑和旋轉速率),就可以在外牆上創建一個等同於重力的力。

這有點像在遊樂園,其中一個項目是你進入一個有很多人的大圓筒,大家都貼著牆壁站好。 然後圓筒旋轉起來,產生一種讓你感覺被壓在牆壁上的力量。每個人都像是被粘在房間的牆壁上一樣,然後地板會消失。但沒人會跌出去,因為他們被旋轉的力量按在了牆壁上。 另一個例子是在你的頭上旋轉一桶倒過來的水。如果你旋轉水桶的速度夠快,水就追不上你。

在一個旋轉的空間站中,人們也會被「卡在」外側牆壁上,但是卻是因為一個與重力類似的力,這樣他們就可以在外側牆壁上走動。旋轉圓筒外側各處的力將是相同的,所以根據不同的設計,人們可能看起來像是倒吊在天花板上一樣!

你周圍人的重力不會產生明顯差異。的確所有具有質量的物體都會對其他物體有引力作用,但除非質量非常大(如地球),否則效果四捨五入可以忽略不計。空間站的人不會影響空間站裡其他人的人造重力,就像在地球時不會影響重力一樣。

問:除了使整個城市都旋轉起來,有沒有其他方法可以在太空城市中製造出人工重力?

答: 根據現存知識,質量是物質間出現引力的唯一原因。具有質量的物質具有一定的引力並且會與具有質量的其他物質相互作用。通過在太空中旋轉一個城市不會產生引力,只能模擬引力。 假設這個城市是環形的且旋轉得足夠快,則其中的一切都會感覺有一股力將它們向外拉,但這是離心力而非引力。大多數情況下它會以類似的方式起作用,但並不會完全相同。例如,如果你從非常「高」的地方(靠近環中心)扔一個東西,它並不會直接掉到它正下方的地面上。因為當落下的物體朝「地面」運動時,地面同時是在旋轉著的。這一現象有時被解釋為科裡奧利力。如果你讀過Arthur C. Clarke的小說《Rendezvous with Rama》,他就描述了一個利用旋轉模擬重力的城市,甚至還談到了它的天氣狀況。

問:可以在表面上均勻地產生引力嗎?或許通過利用引力子的方法?

答: 引力子是理論上可以承載重力的粒子,就像光子(光粒子)被認為可以攜帶電磁力一樣。與宇宙中的其他力相比,引力非常弱,因此其攜帶力的粒子很難被發現。目前還沒人檢測到引力子,我們知道產生它們的唯一方法就是擁有質量,就像上文提到的那樣。因此,從表面均勻地產生引力的唯一方法就是使該表面具有巨大的質量!

問:我無法理解在太空中旋轉利用離心力的東西是如何工作的。你不必擁有一定重量嗎?否則地板不會在你腳下打滑嗎?如果地板連著一面牆,你不會被甩到上面嗎? 我只能理解在你下方有某種恆定的加速度,從一個方向推動你來讓你保持直立這種方式。

答: 你需要理解離心力的關鍵是質量。磚塊在地球表面與在深空中具有相同的質量。而重量是由於重力引起的某種感覺的力量:所以磚塊在地球表面附近的重量要比在深空中的重量大得多。現在我們已經解決了這個問題,讓我們談談離心力。

我能理解你為什麼感到困惑:如果我理解正確的話,你應該是想像了一個太空人漂浮在一個固定的空間站內並且不碰任何東西。而當空間站開始旋轉時,它似乎不應該對太空人有任何影響對吧?沒錯!如果沒有任何東西對太空人施加力量,他們在空間站旋轉時只會漂浮著。

但是空間站並不是空的。其中有空氣,而正如你所說,還有牆壁和其他障礙物。當空間站開始旋轉時,其中的空氣也將開始隨之移動,因此即使沒有其他任何物體,周圍空氣的輕微推動也會使太空人移動。而一旦太空人開始移動,他們接觸旋轉空間站的外緣(很快將成為地板)只是時間問題。

現在我們來思考離心力是如何工作的。還有另一種方法來理解,就像我接下來將描述的這樣,而這會使它看起來根本不像一個真正的力!好的,所以什麼是力呢?力會導致一個有質量的實物加速。我們在上文已經定義過質量了,但什麼是加速度?最簡單的定義是,加速度是指事物的進展速度或方向的變化。所以,當我們的太空人被空間站內的某個東西所推動,而這個東西正在與車站本身一起旋轉,太空人現在將朝著某個方向漂移。物理定律說太空人將直線行駛(當沒有加速度)直到一些新的力來作用。

如果你是一名太空人,在一個圓形的旋轉空間站內直線行進,最終這條直線將與「地板」相交。而當它發生時,你的身體想要保持直線行進,卻被地板擋住了,所以地板會給你一個向內的推力還有一個沿著它運動方向的力。地板施加了一個力,進而導致加速度。

你可能已經知道接下來會發生什麼了。當太空人被旋轉地板撞擊,最終他們將以相同的速度前進。但請記住,加速度是速度或方向的變化!如果你從遠處看,太空人似乎是在沿著圓形空間站周圍曲線前進。而要想走出一條彎曲的路徑,必須有加速度來使太空人的路徑轉向,因此必須有力。那力的方向呢?如果你是太空人,你現在就站在旋轉空間站的地板上,雙腳從旋轉軸向外。感覺起來像是地板正在推動你的腳,所以力實際上是向內的,朝向中心軸!

暈了嗎?好吧,這樣想。當你站在地面上時,重力朝什麼方向?下。那你為什麼不會直線墜落到地球的中心呢?因為地球的表面在以相同的力量推動你的鞋子,但方向相反!空間站中也一樣:離心「力」似乎向外推動物體,但空間站提供了向內推動的相反的「向心力」。

最終的結果是,這將感覺類似於在行星的表面上行走(如果空間站以正確的速度旋轉的話)。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Ryan Anderson- curious.astro.cornell

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