人工重力——隊科幻到現(xiàn)實

失重是太空帶給所有人的第一直觀印象，因此在諸多太空科幻作品中都能看到人工重力這個概念，但由于藝術(shù)正確、拍攝方便優(yōu)先而非科學正確優(yōu)先的本質(zhì)，這些影視作品在對科學幻想進行實景展示時，都做了不同程度的妥協(xié)?，F(xiàn)在就讓我們從科學的角度，當一回吹毛求疵的“死理性派”，來分析一下在大家熟知的幾部太空科幻影視作品中，所展現(xiàn)的人工重力，究竟有幾分科幻，幾分現(xiàn)實。

首先需要說明：重力，或稱引力，本質(zhì)上并不是力。愛因斯坦的廣義相對論已經(jīng)證明，引力不過是由質(zhì)量對時空造成的扭曲所表現(xiàn)出來的假象。

不過，從對人的影響和工程設(shè)計建造的級別來講，稱呼為“力”并無什么不妥。此外，之所以叫人工重力而不是人工引功則是為了體現(xiàn)其對人的重要性。眾所周知，在地球上生活的一切生物無時無刻不在承受著大約9.8米/秒的加速度，也就是1個G（G=mg）的重力。在1個G重力環(huán)境下經(jīng)過數(shù)千年進化而來的人類，身體已經(jīng)非常依賴這個看似是負擔的加速度。長時間的失重狀態(tài)會導(dǎo)致我們骨質(zhì)疏松變脆、肌肉萎縮變軟，甚至由于沒有重力幫助，身體無法判定上下左右，人類會失去空間感和方向感。注意這里說的是失重狀態(tài)而不是失重。比如宇航員在國際空間站中所展現(xiàn)出來的“失重”，其實只是宇航員和空間站的無限自由落體導(dǎo)致的（這是重點，請注意），他們并沒有真正脫離地球的引力，只是表現(xiàn)出了失重的狀態(tài)。

太空科幻作品中的人工重力大致分為三種：先進科技式、旋轉(zhuǎn)式和線性加速式。其實第一種的正確名稱應(yīng)為“魔法”重力，即以星球大戰(zhàn)》《星際迷航》《宇宙戰(zhàn)艦大和號》等為代表的，帶有濃重玄幻色彩的人工重力。仔細看就會發(fā)現(xiàn)，上述三個作品中從未解釋過飛船內(nèi)部的1個G重力具體是如何產(chǎn)生的。為了讓宇宙飛船能參考現(xiàn)代艦船的設(shè)計，“太空歌劇”類作品總設(shè)定人類在未來掌握了一種在飛船底部直.接實現(xiàn)人工重力的科技。顯然，從科學角度講這幾乎是不可能的，且如果人類真的掌握了直接操縱重力的科技，那么就更有可能去建造利用重力推進的飛船或者重力武器，而不是只放在“飛船底部當作人工重力?？偠灾?，“太空歌劇”之所以叫“歌劇”是有根本性原因的，人工重力這第一關(guān)就過不了科學的審核。

在相對硬科幻的太空科幻作品中，旋轉(zhuǎn)式人工重力十分常見。旋轉(zhuǎn)式的原理是用通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心加速度來模仿重力加速度，以此來實現(xiàn)人工重力。

在2015年上映的著名NASA宣傳大片《火星救援》中，用于在地火之間往返的“赫耳墨斯”號飛船在船體中央設(shè)有一個旋轉(zhuǎn)式的圓盤，圓盤邊緣的4個居住模組中便有旋轉(zhuǎn)式人工重力。略帶弧形的居住模組內(nèi)部構(gòu)造在電影中有充分展示，可以看到在里面的宇航員和在地球上生活無異。

在2014年，上映的科幻大片《星際穿越》中，主角們乘坐的探險船“永恒”號更是直接通過旋轉(zhuǎn)飛船整體來為處在飛船外圍的居住模組提供人工重力。電影中詳細展示了飛船內(nèi)部從零重力逐漸到1個G重力的實現(xiàn)過程，甚至還展示了宇航員不適應(yīng)旋轉(zhuǎn)式重力而頭暈的現(xiàn)象。這也就引出了作為“死理性派”對上述兩個常人眼里已非常科學的科幻作品的質(zhì)疑，旋轉(zhuǎn)式重力固然符合物理理論，但電影中展示的比例是否科學呢？

a=w²r

通過以上公式可看出，向心加速度（a）是圓周半徑（r）乘以角速度（w）的平方，也就是說，若要達到1g的向心加速度，要么增加圓周半徑，要么增加旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)速增加則角速度增加）。而根據(jù)《火星救援》電影里的預(yù)估，人工重力模組的角速度大約為0.109弧度/秒，而根據(jù)演員凱特.瑪拉的身高和電影中展示的她和整個旋轉(zhuǎn)模組的比例，預(yù)估旋轉(zhuǎn)模組半徑大約為15米，可算出向心加速度僅0.178米/秒，也就是只有大約不到0.02個G的重力。毫無疑問，宇航員在這樣的旋轉(zhuǎn)模組中是不可能和地球上的感受及表現(xiàn)一樣的。顯然，在具體比例上，電影《火星救援》也走了“太空歌劇”作品藝術(shù)正確優(yōu)先于科學正確的老路。

星際穿越》里的“永恒”號又如何呢？同樣根據(jù)電影中展示的畫面估算，“永恒”號的旋轉(zhuǎn)速度大約為0.55弧度/秒，半徑約為32米，因此可計算出“永恒”號內(nèi)向心加速度為9.68米/秒，產(chǎn)生的重力已和1個G幾乎無異。諾蘭果然不負其一貫的嚴謹作風，在飛船的比例上也沒有馬虎，完全符合科學計算。一個充滿蟲洞、黑洞和高維空間的科幻片居然比一個火星種土豆的科幻片還要科學，讓人倍感驚喜和意外。

那么，如果按照實際向心力計算，“赫耳墨斯”號應(yīng)該是什么樣子的呢？《火星救援》小說中有提到，飛船人工重力模組內(nèi)實現(xiàn)的重力只有0.4個G，按照0.109弧度/秒的角速度計算，飛船的旋轉(zhuǎn)模組半徑需要整整329米。這是什么概念呢？我們來做個比較，目前全球最大的雙弓I擎寬體客機波音777的翼展是61米，也就是說，‘赫耳墨斯”號的半徑至少得是5架波音777的翼展長度。如此龐大的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)估計幾個IMAX電影屏幕都展示不下。而若維持15米的旋轉(zhuǎn)半徑，人工重力要達到0.4個G，則需要大約0.52弧度/秒的角速度，也就是4.96轉(zhuǎn)/分（每分鐘轉(zhuǎn)速），這已經(jīng)和“永恒”號非常接近了。但是，只符合物理理論就可以了嗎？關(guān)于人類所能承受的最快轉(zhuǎn)速是多少，科學界至今仍有爭議，但一般認為長時間處在3轉(zhuǎn)/分或轉(zhuǎn)速更高的環(huán)境下，就會造成人體嚴重不適，4.96轉(zhuǎn)/分的宇宙飛船毫無疑問是不可取的。真是可惜，《星際穿越》通過了物理學的科學考核，卻沒能通過生物學的科學考核。

真正符合所有科學理論的旋轉(zhuǎn)式人工重力飛船是什么樣子的呢？上圖中展示的美劇《無垠太空》（或譯為《蒼穹浩瀚》）中小行星帶聯(lián)盟的旗艦“巨獸”號（Behemoth）便是很好的例子?！熬瞢F”號正如其名，是一艘巨艦，外觀頗似一個巨大的圓柱體，通過半徑450米的巨型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為艦內(nèi)提供人工重力。按照劇中設(shè)定，“巨獸”號原名為Nauvoo，是一艘為了星際航行而設(shè)計的世代殖民宇宙飛船，為了在慣性漂流時提供重力，飛船中部可通過旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生1g的向心加速度。按照450米的半徑計算，“巨獸”號達到1個G的重力只需要維持0.148弧度/秒的角速度即可，也就是僅1.4轉(zhuǎn)/分，完全在人類可接受范圍之內(nèi)。當然，為驅(qū)動龐大的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，“巨獸”號內(nèi)有數(shù)個核反應(yīng)堆提供動力，人員編制最少也有4000人，在《無垠太空》的世界觀里可謂一朵奇葩。

值得一提的是，旋轉(zhuǎn)式并不是“巨獸”號提供人工重力的唯一方式。事實上，在《無垠太空》的宇宙中，采用旋轉(zhuǎn)式人工重力的艦船非常少見，反而是固定空間站和小行星殖民地上使用的更多。對所有軍用和民用的宇宙飛船來說，線性加速才是最常采用的人工重力方式。

早在思考廣義相對論的時候，愛因斯坦便提出：如果引力是作為人向地面施加的壓力而存在，那么，當一個力可以把地面推向人并保持9.8米/秒的加速度，對于人來說，這個力的感覺便和引力一樣了。換句話說，如果一艘飛船可以保持任意方向持續(xù)1g的加速度，那么飛船內(nèi)的人便會感覺和在地球上一樣?！稛o垠太空》中的飛船不管是布局還是構(gòu)造，都像在底層安裝了引擎的摩天大樓，而不像其他太空科幻影視作品中的飛船所參考的現(xiàn)代艦船。在這樣的飛船中，船尾引擎對應(yīng)的不是后而是下，船首對應(yīng)的不是前而是上，每層甲板如樓層一般布置。因此，飛船在持續(xù)1g加速或者持續(xù)1g減速時，便能在內(nèi)部產(chǎn)生線性加速度，進而形成人工重力。

值得一提的是，維持1g的加速度也是一種非常高效的太空飛行方式。以從地球去火星為例，現(xiàn)階段的方法是在地火發(fā)射窗口期進入地火轉(zhuǎn)移軌道，通過短時間的加速把飛行器提升到一定速度后依靠慣性飛抵火星，然后再利用火星引力和大氣來完成減速，這樣最短也需要半年時間才能抵達火星。如果采用維持1g加速度的方式，前半段航程加速，后半段航程掉頭減速，則最短可在1.9天內(nèi)到達火星。對，你沒看錯，盡管1g的加速度看似不多，但保持加速度便能如滾雪球一樣為飛船帶來極快的飛行速度，僅需1天又22個小時便可覆蓋現(xiàn)在180余天才能覆蓋的距離。

既然如此高效，為何現(xiàn)在沒有飛船使用呢？原因在于要維持1g的加速度，就需要飛船引擎在有足夠推力的同時還要有極高的燃料利用率，也就是常說的比沖?！稛o垠太空》中的飛船能保持以1g加速度飛行，是因為火星人所羅門·艾普斯?。⊿olomonEpstein）發(fā)明了一種采用磁圈電離燃料推進的引擎，可以理解為現(xiàn)代離子推進器的超級升級版本。得益于“艾普斯丁引擎”高達110萬秒的比沖，《無垠太空》中的艦船才能在線性加速度式人工重力的環(huán)境下短時間跨越太陽系?？梢哉f，該劇中人類能對太陽系內(nèi)各星體完成殖民，“艾普斯丁引擎”功不可沒。當然，哪怕再符合科學，科幻也還是科幻，現(xiàn)在NASA所測試的持續(xù)工作時間最長（約12小時）的X3離子推進器的比沖僅為3100秒，和“艾普斯丁引擎”有著數(shù)個數(shù)量級的差距，推力更是完全沒有可比性。

和旋轉(zhuǎn)式人工重力相比，線性加速式人工重力的缺點在于飛船不能靜止，但優(yōu)點在于，由于不需要龐大的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，不管多大還是多小的飛船都可以采用這種方式。除此之外，線性加速還不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)式的副產(chǎn)品——科氏力。簡而言之，科氏力是因為旋轉(zhuǎn)的慣性，使物體原本的直線運動產(chǎn)生拐彎偏移，本質(zhì)上其實也不是力。北半球臺風逆時針旋轉(zhuǎn)南半球臺風順時針旋轉(zhuǎn)，便是地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力的結(jié)果。

我們在日常生活中對科氏力沒有感受，是因為地球半徑很大且自轉(zhuǎn)速度僅為0.000696轉(zhuǎn)/分，所以旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科氏力很小，人體完全感受不到，只有在時空尺度非常大的人造物體上才有表現(xiàn)，比如長途飛機和洲際彈道導(dǎo)彈等。不過對旋轉(zhuǎn)式人工重力而言則不同，由于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的角速度遠高于地球，且旋轉(zhuǎn)半徑遠小于地球，科氏力的影響會變得非常明顯。這一點在《無垠太空》中，在位于小行星帶的谷神星人工空間站上便有最直觀的體現(xiàn)。

谷神星自身質(zhì)量不大，引力微弱到可忽略不計，影片為了在谷神星空間站中制造人工重力，于是人為地加速了整個谷神星的自轉(zhuǎn)，以達到0.3個G的重力水平。結(jié)果便如影片中所示，原本應(yīng)垂直下落的威士忌“拐彎”落入了杯中，且從酒是向左傾斜還可看出谷神星空間站是逆時針旋轉(zhuǎn)的。顯然，對于習慣地球重力的人來說，谷神星空間站的生活會非常難受，剛剛到達時很容易產(chǎn)生頭暈、嘔吐等癥狀。這也是為何“巨獸”號有旋轉(zhuǎn)式人工重力艙，卻在絕大多數(shù)時候依然采用線性加速來提供人工重力的原因。這里不得不說，《無垠太空》是到目前為止，在多如牛毛的科幻片中唯一將人工重力以幾乎完全符合科學的形式展現(xiàn)出來的作品。

何為科幻？科學幻想之所以有科學的前綴，正因為這不只是幻想，而是對未來可能性的一種推測。現(xiàn)在人們所熟知的火箭發(fā)射倒計時形式，其實就源自德國導(dǎo)演弗里茨·朗在1928年拍攝的科幻電影《月亮上的女好》（FrauimMond）。在這部電影中，為了能戲劇化地表現(xiàn)火箭發(fā)射，導(dǎo)演刻意讓發(fā)射人員從10倒數(shù)到0，結(jié)果該設(shè)計受到以馮·布勞恩為首的德國火箭研究者們的喜愛。大喊出最后10秒倒計時，便以這樣的方式成為火箭發(fā)射必不可少的一部分。

或許人們對太空科幻里人工重力的熱愛，并不只是為了體會作品中天馬行空的想象，更是期望科幻中所展示的未來有據(jù)可依，有朝一8能將幻想照進現(xiàn)實。

畢竟，從科幻到現(xiàn)實，總共只用了104年——法國科幻作家儒勒·凡爾納的小說《從地球到月球》，成書于1865年，該書描繪了3名探險者乘坐超級大炮的炮彈前往月球探索的故事。限于當時的航天認識水平，書中的探月方案實際上是完全不可行的，但該書和實際的“阿波羅”登月計劃相比，也有諸多的巧合，比如都是3人探月，出發(fā)點都為卡納維拉爾角等。這本書出版104年后的1969年，人類真的踏，上了月球表面。此外，更有趣的是，該書于1903年發(fā)行了首個中譯本，譯者是魯迅，中譯本由日文版轉(zhuǎn)譯而成，當時的譯名為《月界旅行》。