人造重力離現實有多遠?

2020-11-22 驅動之家

電影《安德的遊戲》中 ,主人公安德和他的隊友們第一次走進零重力戰鬥室,發現自己漂浮在空中,變得手足無措,難以分清方向。作為戰鬥學校的一個重要訓練項目,零重力室無論在電影和小說中,都有著重要的位置。

在安德的世界中,人類已經可以在太空中產生人造重力,安德在到達ISL(Inter Stellar Launch,內恆星空間站)之後,他們已經可以像在地球上一樣,正常地進行日常生活,而不用像「天宮」中的太空人一樣,漂浮在艙內。在小說中,傳奇指揮官馬澤·雷漢(Mazer Rackham)曾經告訴安德,重力的操控是從蟲族學來的某種重力增強技術。

我們目前顯然還沒有遇到如此強大的蟲族,那麼在目前的技術條件下,人類是否可以在空間站產生人造重力呢?

粗放的實現方法:住在「圓筒」裡

從理論上來講,最直接的一種方案當屬通過旋轉空間站來實現:我們可以讓一個圓筒狀的空間站沿著軸線轉動,從而使得在居住在圈桶內壁的人員感受到一種人工重力效應,這就是著名的離心效應或者向心力作用。

形象點來說,就好比在旋轉的洗衣機滾筒中,衣服都會貼在兩邊的筒壁上,而並非漂浮在中間的水裡。


圓筒形空間站概念圖

不過這樣的空間中還會有另外一個問題,那就是科裡奧利效應。這種效應可以這樣理解:假如我在地球上,要在一個轉動的圓盤上面走一條(相對於地面)的直線,那麼我實際走出的路線,在這個圓盤上看來卻是一條彎曲的曲線。似乎在圓盤參照系中,我受到了一個額外的力的作用,垂直於我的運動方向,這個假想的力就是科裡奧利力

剛才我們提到,人造重力可以在一個不停旋轉的空間站中實現,所以這種效應也會影響人們在旋轉空間站中的生活。問題在於,這種科裡奧利效應會在多大程度上影響空間站成員的生活呢?

在上面圖片中這種圓筒狀空間站中,對於自由落體運動,下落的高度越高,橫向的偏離就越大,而圓筒空間站的半徑越大,橫向的偏離就越小。如果我們把空間站的半徑建造得足夠大,那麼這種科裡奧利效應造成的自由落體橫向偏離就會變得很小。

更直觀一點來說,如果我們建造一個半徑10千米的圓筒空間站,在離內壁1米的高度讓一個小球自由落體,那麼小球落地之後的橫向偏離只有不到1釐米。這樣的偏移程度對空間站中的正常生活就沒有明顯的影響。其實科裡奧利效應在地球上也照樣存在,因為地球也會自轉的不是?但是我們正常走路開車打網球,也從來沒有因為科裡奧利效應受到任何的影響。

實際上模擬出來的重力加速度是轉速和圓筒半徑同時決定的。只有我們做的空間站半徑足夠大,轉速不需要很大即可保證某個合適的人工重力,這樣科裡奧利效應也會被控制得很小。

上面討論的這種圓筒狀的空間站只是「人造重力」模型中比較簡單的一種。20世紀70年代,曾經有過很多的不同的空間站設計,另外一種比較簡單的設計則是甜甜圈狀的空間站。


甜甜圈狀空間站概念圖

蟲族科技可能是什麼?

上面我們提到了如何在整個空間站中製造人造重力,但是在實際操作中(以及電影小說中),太空人們難免需要在空間站裡提供一個特別的無重力區域,來適應太空中的失重環境。那麼在空間站的設計中,又怎樣達到這樣的目的呢?

其中一個重要的方式,就是建立分層。不管是哪種空間站,都可以建立分層,即在距離旋轉中心(旋轉軸)不同距離的地方建立居住區,距離中心越近,人造重力就越小。如果我們站在空間站的中心,那麼人造重力就為零了,但是越靠近中心,科裡奧利效應就越明顯。所以如果把電影中的「戰鬥室」建立在空間站中軸上面的話,當人們從門口跳進來時,旋轉會造成科裡奧利效應等不必要的麻煩,也會影響訓練的效果。

在《安德的遊戲》中,零重力戰鬥室的設計就更加聰明一些:中間的戰鬥室是不轉動的,只有外部的生活區才轉動。這樣,戰鬥室的旋轉所導致的問題就不會發生了。


《安德的遊戲》中的戰鬥學校空間站,中間的球體是零重力戰鬥室

說了這麼多,其實ISL上「從蟲族學來的」的神秘的重力控制技術並非上述幾種之一,小說中也並沒有給出明確的線索。不過如果我們大膽設想的話,除了我們提到的幾點外,產生人造重力還可以使用加速過程,比如讓ISL一直處在一個加速過程中、讓ISL在廣袤的宇宙中勻加速前進,或者讓它在一個靠近行星的地方懸停,但這是個很浪費能源的方案,不是長久之計。

還可以讓ISL攜帶一個大質量的物體。在所有備選的物體中,小型黑洞可能是個不錯的選擇,比如捕捉很多小質量黑洞,放在一個裝置中,就可以產生相應的重力,但是從捕獲到儲存,按照現在的理論,都還只是天方夜譚,而且帶著地球這麼重的物體,ISL的機動性簡直會變為零。

所以,我實在想不出一個現實的理論來為《安德的遊戲》中的ISL提供重力,不過,在一個存在超距通信「安塞波」的故事中,無論出現什麼樣的技術都不足為奇了吧:)

 

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