失重 书架

第 09 章 / 共 10 章

第九章 · 转出一个「下」来

第七章的账单摆在那儿:人体是三亿年重力世界的造物,失重半年,骨头、肌肉、心血管、眼球逐个出问题。如果人类要当真去火星,方案不是把宇航员练成超人,而是——把「下」造出来

怎么造?第二章的等效原理早就给了答案:有重量 ≡ 被加速。火箭不能全程烧燃料(推进剂不够),但有一种加速可以免费、永不停歇地维持:转圈。

甩干机原理

坐过旋转木马或者见过滚筒甩干机,你就懂原理:转起来的东西被「往外甩」。更精确的说法是,圆周运动需要持续把物体「往圆心拽」,拽它的力由舱壁(地板)提供——地板顶着你的脚底往圆心方向推,于是你被压在地板上。这份压力,就是重量感。看,又是第一章那句:重量感 = 支撑力。只不过这次的支撑力来自旋转,而不是地球。

所以科幻片里的空间站都是旋转的环或轮子(《2001 太空漫游》里那个巨大的轮形站是影史经典):圆环的「外壁」就是地板,人沿环的内壁行走,头指向轴心。整个舱是一台巨大的甩干机,人是筒壁上的水珠。

这笔账很好算,就一个式子:人造重力 = 转速平方 × 半径(a = ω²r)。想要多大 g,要么转快点,要么造大点。问题来了:两头都有约束。

约束一:人受不了转太快

旋转系里生活,有一种地面上不存在的捣蛋力:科里奥利力——大白话说,在旋转的房间里,只要你不是站着不动,而是沿径向(朝轴心或背轴心)走动、甚至只是转头,就会感到一股把你往侧面推的力。倒的水不直着「落」,而是斜着划弧线;头稍微一歪,内耳就会收到矛盾信号——耳石器这次有重量了,可你转头的每个动作都和耳石的读数对不上,于是:吐。又回到第五章的老朋友。

科里奥利捣蛋的强度正比于转速,和半径大小关系不大。地面旋转舱实验(海军和 NASA 在六七十年代真做过,志愿者在旋转房里一住几天)给出的经验值是:转速压到每分钟 2 圈以内,大多数人可以适应;每分钟 4 圈以上,几乎人人要难受好几天;更快,则有人永远无法适应。

约束二:每分钟 2 圈 × 1 个 g = 一座小镇

现在把两条约束拼起来。要 1 个 g 的人造重力,转速又不能超过每分钟 2 圈,代入式子反推半径:约 225 米。直径 450 米——一座横跨四个足球场的巨型环。这就是科幻里环形空间站都那么庞大的原因:不是美学,是生理学。

妥协方案是把要求降低。火星重力(约 0.38 g)可能已经够用(去火星的旅程,也许只需按火星标准「预适应」)——半径降到约 85 米。月球标准(0.16 g)只要 36 米。再退一步:用一根缆绳把两个舱段拴在一起对转,省掉刚性的环形结构——几百米长的缆绳,比几百米直径的环便宜几个数量级,这是多年来论文里反复出现、却始终没人造的方案。

还有一个微妙问题:哪怕环造好了,人造重力也不是均匀的——你头和脚离轴心距离不同,受到的「重力」就不同;半径 225 米时这点差异微乎其微,半径 20 米的小舱里,头部和脚部的「重量」可以差出百分之十几,扔东西轨迹诡异,血液分布奇怪。小半径方案省下的钱,都要用生理不适还回去。

为什么到今天还没有一个

把账加总:能住人的旋转空间站,要么大(数百米直径的结构,在轨组装,预算堪比造一艘航母)、要么晕(小半径带来的科里奥利问题)、要么怪(缆绳方案没人敢第一个上)。而国际空间站的任务书从头到尾是「微重力实验室」——它的目标恰恰是没有重力。所以迄今为止,所有载人航天器都在 0 g 和 1 g 之间硬切换,「中间档的人造重力」从未在真人身上验证过:0.38 g 的火星重力够不够保住骨骼?没人知道。这个实验,大概率要等第一艘去火星的船自己成为实验。

回头看,这章从头到尾都在用第二章那句等价关系当工程手册:重量 ≡ 加速,旋转 ≡ 持续加速,所以旋转 ≡ 重量。一句话从思想实验变成了一座想象中的城市。等效原理还有最后一层、也是最深的一层含义没有揭开:为什么「加速」和「引力」会等价到这种地步?爱因斯坦的答案是:因为引力根本不是一种力。第十章,收官。

失重 · 王建硕
费曼式写法 · 由多个 AI 代理撰写与互相审校