太空中的巨輪將創造人造重力

爲什麼我們在科幻電影裏看到的空間站 總是個大輪子在不停地轉 你以爲是爲了好看 爲了酷炫 恰恰相反 這個設計可能關乎到宇航員 能不能活着走出太空 這事兒咱們得從頭說起 你看新聞裏 國際空間站的宇航員 是不是總飄來飄去的 看起來特自由 特瀟灑 但你不知道的是 這種失重狀態 對人體來說 其實是長緩慢的災難 首先 最直接的衝擊就是骨骼和肌肉 在地球上 我們每天站着 走着 身體無時無刻不再對抗重力 這就相當於一種持續的負重鍛鍊 骨骼爲了支撐體重會保持密度 肌肉爲了讓我們活動會保持力量 可一旦到了太空 失重了 身體就放飛自我了 骨骼會覺得 好像用不着那麼堅固了 於是開始大量流失鈣質 這個過程叫骨質疏鬆 速度有多快呢 在太空待一個月 骨密度下降的量 相當於地球上一個老年人 一年的流失量 所以宇航員在空間站 每天都得把自己綁在各種器械上 強制鍛鍊兩三個小時 就是爲了跟這種骨骼罷工做鬥爭 肌肉也一樣 用盡費退 失重環境下 肌肉不需要花費大力氣 就能移動身體 久而久之 它們就會開始萎縮 特別是負責支撐 我們身體的背部和腿部肌肉 萎縮得最快 如果不加干預 宇航員返回地球后 可能連站都站不穩 需要很長時間的康復訓練 更要命的是心血管系統 我們的心臟在地球上 就像一個強力水泵 需要把血液從腳底泵回大腦 對抗重力 但在太空 沒重力了 心臟的工作負擔大大減輕 聽起來是好事 不 心臟這個肌肉泵也會因此變懶 心肌會逐漸萎縮 功能下降 這就好比一個天天跑場跑的人 突然讓他躺牀上一年 心肺功能肯定會完蛋 除此之外 還有更詭異的 失重會導致體液重新分佈 大量的血液會湧向上半身和頭部 宇航員剛上天時 臉都會腫得像個胖頭魚 還會鼻塞 頭痛 長期下來 這種顱內壓力的增高 甚至會壓迫視神經 導致宇航員視力下降 這個毛病在醫學上還有個專門名詞 叫航天相關神經眼科綜合徵 你看 上個太空 連眼睛都保不住 所以你看 失重環境雖然看起來很酷 但對於想長期在太空生活 甚至進行心肌旅行的人類來說 簡直就是個健康殺手 去火星單程就要七八個月 要是宇航員飄過去 到地方已經成了個骨質疏鬆 肌肉萎縮的零待遇 那還怎麼探索新世界 於是 科學家們就想 能不能在太空裏 人爲地製造出一種重力呢 答案就是 旋轉 這個原理 其實咱們小時候都玩過 你拎着一個裝了水的桶 然後快速地掄起來轉圈 只要速度夠快 桶口朝下的時候 水也不會灑出來 爲什麼 就是因爲旋轉產生了一種 叫離心力的東西 它把水死死地壓在了桶底 或者你想想遊樂場的旋轉飛椅 你一坐上去 椅子轉起來 你就會感覺自己被一股力量往外甩 這個力 感覺上就跟重力差不多 太空中的人造重力 用的就是這個原理 我們不需要一個真實的引力場 只需要一個不停旋轉的巨大結構 就能模擬出重力的效果 當這個巨大的環形空間站旋轉起來時 處於環內壁的宇航員 設備和一切物體 都會被離心力推向地面 也就是環的外側 這樣一來 他們就能像在地球上一樣 腳踏實地地站立 行走 生活 那麼 這個大輪子要轉多快 造多大 才能模擬出和地球差不多的重力呢 這裏面可全是學問 產生的離心力大小 主要取決於兩個因素 旋轉的角速度和旋轉的半徑 公式很簡單 就是向心加速度約等於角速度的平方乘以半徑 說白了就是 要麼你轉得快 要麼你半徑大 或者兩者兼顧 當問題來了 轉得太快 人會受不了 會產生一種叫克里奧利效應的怪現象 簡單說 就是你在一個旋轉的系統裏移動 會感覺有個奇怪的力在推你 比如你在旋轉空間站裏 想把一個球扔給對面的人 球不會走直線 會拐彎 你快速地扭頭 會感到天旋地轉 噁心嘔吐 科學家研究發現 爲了讓人體能夠適應 旋轉速度最好不要超過每分鐘兩到三轉 既然轉速不能太快 那爲了獲得足夠的重力 就只能把半徑做得足夠大 要模擬出地球一致的重力 如果每分鐘轉兩圈 那這個輪子的半徑大概需要224米 直徑就是將近半公里 這已經是個龐然大物了 所以 科幻電影裏那些巨大的環形空間站 比如星際穿越裏的堅韌號 火星救援裏的赫爾默斯號 還有2001太空漫遊裏那個經典的雙輪空間站 它們之所以設計成那樣 不是導演瞎想的 而是基於非常紮實的物理學原理 那個旋轉的巨輪 就是未來人類遠航升空的健康保障 當然 現實中要造這麼個大傢伙 挑戰是巨大的 首先就是錢和技術 把這麼重的材料發射到太空 然後像搭積木一樣在軌組裝起來 難度和成本都是天文數字 比如納瑟曾經在2011年 提出過一個叫鸚鵡螺X的升空探測器概念 它的特點就是有一個可以展開的 類似充氣城堡的環形居住艙 通過旋轉來產生部分重力 這個設計很巧妙 但最終也因爲預算和技術難題 停留在了概念圖上 其次是結構強度和穩定性 一個幾百米直徑的結構 在太空中高速旋轉 它本身要承受巨大的硬力 任何一個連接點的微小瑕疵 都可能導致災難性的解體 而且 爲了方便飛船停靠 空間站的中心軸部分必須是靜止的 旋轉部分和靜止部分之間的 巨大軸程要做到在真空 高低溫交變的環境下 長期可靠運轉 這絕對是頂級的機械工程難題 最後 還有能源問題 要驅動這麼個大傢伙 不知疲倦地轉下去 還需要巨大的能源供應 這就意味着 需要更大面積的太陽能翻滿 整個系統的複雜性又上了一個臺階 儘管困難重重 但建造帶有人造重力的空間站 幾乎是人類走向星辰大海的必經之路 目前我們看到的國際空間站 它沒有旋轉 是因爲它的主要任務 是在近地軌道做短期科研 宇航員待幾個月就回來 身體的損傷還在可控範圍內 但未來 如果我們要建立月球基地 要派人去火星甚至更遠的地方 一去就是好幾年 那就必須解決失重帶來的健康問題 否則 我們的宇航員將不是作爲征服者 而是作爲病人抵達目的地 所以 下一次當你在科幻電影裏 看到那個緩緩旋轉的巨大光環 漂浮在深邃的宇宙中時 請記住 它不僅僅是一個充滿未來感的視覺符號 它更承載着人類的一個夢想 一個讓我們能夠擺脫重力的束縛 卻又能在太空中健康 舒適的生活和工作的夢想 那個旋轉的輪子 就是我們從地球這個搖籃 邁向廣闊宇宙的堅實一步