為什麼太空中沒有人造重力?那要如何才能產生人造重力?

2020-11-22 博科園

【博科園-科學科普】如果把一個人放在太空中，遠離地球表面的重力束縛，那麼他將體驗失重的狀態。儘管宇宙中的所有物質都在引力作用下「拉」著它們，同樣也會拉著飛船，所以人會漂浮著。

在外層空間，即使宇宙中的所有質量都像正常一樣被吸引，在地球上沒有「向上」或「向下」，因為宇宙飛船和船上的每個人都以同樣的速度加速。圖片版權：NASA / ESA / ISS Expedition 37

在電視節目和電影如《星際迷航》、《星球大戰》、《太空堡壘卡拉狄加》和其他許多電影中，總是能看到飛船的船員在飛船的「地板上」，而不管其他任何條件。這需要某種形式的人工重力物理上的可能，但這對於我們目前了解的科學規律來說是一個艱巨的任務。

船長加布裡埃爾·洛爾卡(Gabriel Lorca)在這一發現的橋梁上，用克林貢人模擬作戰任務，全體船員被人工重力所束縛，這是今天的科學幻想的技術。圖片：Jan Thijs/CBS 2017 CBS Interactive

對於引力，愛因斯坦的等效原理：一個一致加速的參考系與引力場是不可區分的。如果人在一個火箭飛船上無法看到周圍的宇宙，就沒有辦法知道哪個位置是怎麼回事，人覺得重力是向下的力，因為在火箭上是在一個特定的方向加速，這就是導致廣義相對論的觀點，100多年後，這是我們所知道的關於引力和加速度的最正確的描述。

加速的火箭(左)和地球(右)上，一個球的相同行為是愛因斯坦的等效原理。圖片：Wikimedia Commons user Markus Poessel, retouched by Pbroks13

如果喜歡的話，還有另一個技巧：可以讓飛船旋轉，而不是線性加速(像火箭的推力)，可以在工作中有一個向心加速度，在那裡的人可以感覺到飛船的外殼把他推向中心。這在2001年就被用過了——太空漫遊，如果宇宙飛船足夠大的話，就很難與重力區分開來。

這三種加速度——引力，線性和旋轉——是我們僅有的具有重力效應的，這也是宇宙飛船上的一個大問題。

一個1969年的空間站概念，從阿波羅計劃的各個階段組裝到軌道上。空間站在其中心軸上旋轉以產生人造重力。圖片：NASA

為什麼？因為如果想去另一個星球系統旅行，就必須加速飛船到達那裡…當到達時，也必須減速船。除非能保護自己不受這些加速度的影響，否則災難性的後果將不可避免。例如在星際迷航中加速到完全的制動，光速的幾個百分點，即使花了一個小時的時間來達到速度，也會讓經歷超過4000個加速度。這比防止血液從體內流動所需的加速度要高出100倍，無論你如何旋轉，都是不好的情況。

1992年哥倫比亞號太空梭的發射表明，加速並不僅僅是火箭的瞬間，而是在很長一段時間內發生。對於星際飛船而相對於火箭來說，加速度將會比人體所能承受的速度還要大很多倍。圖片：NASA

此外，除非想在長途旅行中有效地失重——讓人遭受可怕的生物損耗，比如骨質流失和太空盲症——到時需要持續不斷地施加在身體上的某種力。對於其他力，這很容易做到。例如在電磁學中可以把工作人員安置在一個導電外殼內，任何外部電場都被抵消掉。然後你可以在裡面設置兩個平行的板塊，並有一個恆定的電場，使電荷被「推」到一個特定的方向

如果重力的作用是一樣的。

一個電容的原理圖，兩個平行的導電板有相等的和異種電荷，在它們之間形成一個均勻的電場。然而重力是不可能的，除非有某種形式的負引力。圖片：Wikimedia Commons user Papa November

沒有重力導體之類的東西，也沒有辦法保護自己不受地心引力的影響。在一個空間區域內，沒有辦法建立一個統一的引力場，比如兩個板塊之間。由正電荷和負電荷產生的電力不同，只有一種類型的引力「電荷」，那就是質量和能量。引力總是有吸引力的，這是沒有辦法的。相反必須盡所能用三種類型的加速度——重力，線性和旋轉產生的等效重力對人來說是可用的。

宇宙中絕大多數夸克和輕子都是由物質組成的，但它們中的每一個都存在反物質，它們的引力質量是待定的。圖片：Contemporary Physics Education Project (CPEP), U.S. Department of Energy / NSF / LBNL

唯一人造重力的方法，既能保護人免受飛船加速的影響，又能不斷地「向下」拉，而不需要加速，那就是需要發現了一種負引力質量。我們發現的所有粒子和反粒子都有一個正質量，但這些都是慣性質量，或者當加速或創造一個粒子時的質量，（也就是說m = ma，m在E = mc^2）科學家已經證明了慣性質量和重力質量對於我們所知道的所有粒子都是一樣的，但是從來沒有對反物質或反粒子進行足夠的測試。

在任何實驗中，阿爾法都是最接近於測量在引力場中中性反物質的行為的。圖片：Maximilien Brice/CERN

現在有很多實驗來做這個！歐洲核子研究中心的ALPHA實驗已經製造出了反氫原子：一種穩定的中性反物質，並且正在以極低的速度將其與其他粒子隔離開來。如果它變得足夠敏感，就可以測量它在引力場中下落的方式。如果它下降，和正常物質一樣，那麼它有正引力質量，但不能用它來建立重力導體。如果它落在引力場中就改變了一切。只有一個實驗結果，人造重力會突然變成物理上的可能性。

人工重力的可能性是誘人的，但它是建立在負引力質量的前提下的。反物質可能是，實驗上我們還不知道可行性，。圖片：Rolf Landua / CERN

如果反物質有負的引力質量，那麼通過設置反物質的上限和正常物質，就可以創造一個人為的重力場，它總是把你拉下來。通過建造一個以重力為基礎的外殼，作為我們的飛船的外殼，每個內部的人都能免受超快加速的影響，否則會被證明是致命的。最引人注目的是人類在太空中不會再遭受負面的生理影響，從平衡失調到心臟肌肉萎縮，目前困擾著今天的太空人。但是在我們發現一個具有負引力質量的粒子(或一組粒子)之前不管我們有多聰明，人造重力只能通過加速來實現。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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