北京時間11月30日消息，想象一下，當你身處一個快速旋轉的機械裝置時，你會感受到一股力將你的身體壓在墻上或座位上。當這種旋轉越來越快時，迫使你面對墻壁的壓力就會增加（相反，如果旋轉減慢，壓力也會減少）。你感受到的重量就像讓你的身體緊貼地面的重力一樣。

電影《火星救援》（The Martian）中的赫爾墨斯號飛船具有巨大的旋輪結構，在從地球前往火星的途中不停旋轉

當然，或許和大多數人一樣，你對這種旋轉力最激動人心的體驗可能來自游樂園的游樂設施。尤其是19世紀中期以來，出現了許多經典的旋轉設施，在給人們帶來大量歡樂的同時，也讓很多人嘔吐不已。

還有少數人，比如宇航員和軍事飛行員，會在載人離心機上會遇到同樣的現象。載人離心機旋轉時產生的這些很強的“G力”，也就是加速度。離心機測試也稱為抗“G”測試，這里的G就是地球表面的重力加速度。1G就是飛機平飛時，飛行器加上載重和駕駛員的重量，而當飛行器改變速度或姿態時，就會產生正或負的G力。當高性能飛機高速轉彎，或者乘坐火箭發射到太空，以及乘坐航天器返回地球大氣層時迅速減速等情況下，飛行員或宇航員們就會體驗到這種G力。

什么是人工重力？

諸如此類的旋轉會產生非常具有真實感的重力——更確切地說是人工重力。這能為你的身體提供重量。換句話說，你的骨骼和肌肉無法將其與地球或其他行星所提供的重量區分開來，盡管后者的來源純粹是行星的巨大質量。

在諸如此類的旋轉游樂設施（圖中大約是1950年）中，你能體驗到人工制造的重力

幾十年來，科幻小說作家們一直在設想某種旋轉的宇宙飛船，可以在太空任務最長的時間段內為宇航員創造人工重力。當飛船加速上升或在大氣中減速，會產生額外的重力，但在時間最長的太空飛行期間，重力的影響被抵消，飛船會進入失重狀態。

在科幻作品中，這種人工重力的兩個例子分別是2015年的電影《火星救援》（The Martian）和1968年的史詩電影《2001太空漫游》（2001： A Space Odyssey）。前者的特色是一艘名為“赫爾墨斯”號（Hermes）的星際飛船，它有一個巨大的旋輪結構，可以在地球和火星之間的航程中不停旋轉。當鏡頭放大時，你會注意到，對于宇航員來說，赫爾墨斯號內部的“上”總是朝向旋輪的中心，而“下”（即“地面”），則是旋輪的邊緣。《2001太空漫游》中的五號空間站是一個旋轉的空間站，它能產生相當于月球重力的人工重力。

除了舒適之外，我們也有充分的理由在遠距離太空任務中用到人工重力。在失重狀態下，我們的身體會發生一些變化，當宇航員到達目的地（比如火星）或返回地球時，這些變化可能會對人體造成傷害。例如，骨骼會失去礦物質（變軟且容易骨折）；肌肉萎縮（力量變弱）；體液會流向頭部，也會從身體排出，引起心血管系統和肺部的變化；神經系統出現紊亂。近年來，太空醫學研究人員還發現，一些宇航員的眼睛可能會受到永久性的損傷。此外，有研究表明，人類在太空中的正常懷孕可能需要重力，因此搭載人類在太陽系飛行的任何航天器要么應該旋轉，要么飛船的某些部分應該旋轉，這似乎是毫無疑問的。

研究人造重力

美國國家航空航天局（NASA）和其他機構是否正在研究人工重力的可能性？答案是肯定的。自20世紀60年代以來，NASA的科學家們就一直在考慮通過旋轉來實現人工重力的前景。然而，在過去的幾十年里，這方面的努力，以及相關的資金和熱情有漲有落。在20世紀60年代，當NASA致力于將人類送上月球時，有關人工重力的研究激增（當時NASA的預算幾乎是整個聯邦政府的5%，是今天的10倍）。

在德國科隆的德國航空航天中心（DLR）航空醫學研究所，有一臺短臂離心機設備（DLR Short-Arm Centrifuge， Module 1）。這是世界上唯一一個以這種手段研究重力改變如何影響人體健康，尤其是微重力下健康風險的實驗設施。

盡管NASA在過去的半個世紀里一直沒有強調對人工重力的研究，但無論是在該機構內部，還是在其他國家的航天機構，科學家們都在研究一系列的情況。在國際空間站上，研究者將小鼠放入小型離心機，發現它們在旋轉時安然無恙；在地球上，也有一些人在學習如何適應旋轉的室內環境，比如美國布蘭戴斯大學的阿什頓·格雷貝爾空間定位實驗室就有這樣的實驗設施。在德國科隆的德國航空航天中心（DLR）航空醫學研究所，有一臺短臂離心機設備（DLR Short-Arm Centrifuge， Module 1），這是世界上唯一一個以這種手段研究重力改變如何影響人體健康，尤其是微重力下健康風險的實驗設施。

為什么還沒有旋轉的宇宙飛船？

但是，如果人工重力的必要性如此明確，為什么還要在太空或地球上進行研究呢？為什么工程師們不直接開始設計像赫爾墨斯號那樣的旋轉飛船呢？

答案是，人工重力需要權衡，因為旋轉也會產生問題。正如在旋轉游樂設施中，在高轉速的情況下轉動頭部會讓你感到惡心。旋轉還會影響體液在你的內耳和其他身體部位的流動。旋轉的速度越快，惡心、定向障礙和運動問題就會越嚴重。當然，人造重力的強度取決于轉速和旋轉物體的大小。

要體驗一個給定的重力——比如在地球上通常感受到的重力的一半——旋轉半徑的長度（從你在地板上站立的位置到旋轉物體中心的距離）決定了旋轉的速度。建造一個半徑為225米的輪狀飛行器，可以在每分鐘1轉（1RPM）的速率下產生完全的地球重力（即1G）。這樣的速度足夠慢，科學家們非常確信沒有人會感到惡心或迷失方向。

除了地板有些彎曲之外，旋輪飛船上的東西看起來和正常狀態沒什么兩樣。但是，在太空中建造和運行這樣一個龐大的結構將會帶來許多工程上的挑戰。

這也意味著，NASA和其他任何可能在未來將人類送上太陽系的太空機構或組織需要考慮更低的重力或更高的轉速——或者兩者兼而有之。事實上，月球表面的重力僅為地球表面的16%，這使其成為研究低重力（相對于失重）影響的絕佳場所，但由于月球上還沒有實驗室，因此根本沒有足夠的數據來了解長期太空任務或建立太空殖民地時人類所需的最低重力條件。這些數據以及人類可以合理承受多少轉速的數據，在人工重力研究中都是必要的。也許未來宇宙飛船上的人工重力不必完全和地球一樣，但也足夠保持宇航員的健康。