【原创文章】人工重力——从科幻到现实

人工重力——从科幻到现实
导语

失重是太空带给所有人的第一直观印象,因此在诸多太空科幻作品中都能看到人工重力这个概念的存在,但由于艺术正确和拍摄方便优先而非科学正确优先的本质,这些作品在不同程度上都做了妥协。现在就让我们从科学的角度,当一回吹毛求疵的死理性派,来分析下在大家熟知的几部太空科幻作品中,所展现的人工重力的科幻和现实。

本文作者:Saturn V已经为其开启独立赞赏账户

人工重力——从科幻到现实

首先先说明下,重力或称引力,本质上并不是力,爱因斯坦的广义相对论已经证明引力不过是质量对时空造成的扭曲所表现出来的假象

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不过从对人的影响和工程设计建造的级别来讲,称呼为力并无什么不妥,而之所以叫人工重力而不是人工引力则是为了体现对人的重要性。众所周知在地球上生活的一切无时无刻都在承受着大约9.8m/s^2的加速度,在1G环境下经过数千年进化而来的人类,使得我们的身体非常依赖这个看似是负担的加速度。长时间的失重状态会导致骨质疏松变脆,肌肉萎缩变软,甚至由于没有重力帮助身体判定上下左右,人类会失去空间感和方向感。注意这里说的是失重状态而不是失重,比如国际空间站中所展现出来的“失重”其实只是宇航员和空间站一起的无限自由落体(这是重点,请注意,主页菌注),并没有真正离开地球的引力只是表现出了失重的状态。

人工重力——从科幻到现实航天员并非不受地球引力作用,只不过是处在一个无限下坠的过程

太空科幻作品中的人工重力大致分为三种,先进科技式,旋转式和线性加速式。其实第一种的正确名称应为“魔法”重力,及以星球大战,星际迷航,宇宙战舰大和号等为代表的,带有浓重玄幻色彩的人工重力。仔细看就会发现,上述三个作品中从未解释过飞船内部的1G重力具体是如何产生的。为了让宇宙飞船能参考现代船只设计,太空歌剧类作品总设定人类在未来掌握了一种在飞船底部直接人造重力的科技。显然从科学角度上讲这是几乎不可能的,且若人类真掌握了直接操纵重力的科技,更有可能的是建造利用重力推进的飞船或者重力武器,而不是只放在飞船底部当作人工重力。总而言之太空歌剧之所以叫“歌剧”是有根本性原因的,人工重力这第一关就过不了科学的审核。

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“赫耳墨斯”号(出自科幻电影《火星救援》)

在相对硬科幻的太空科幻作品中,旋转式人工重力十分常见。旋转式的原理是通过旋转产生的向心加速度来模仿重力加速度,以此来实现人工重力。在2015年上映的著名NASA宣传大片“火星救援”中,用于在地火之间往返的“赫耳墨斯”号飞船在船体中央设有一个旋转式的圆盘,在圆盘边缘的4个居住模组中便有旋转式人工重力。略带弯曲的居住模组内部构造在电影中有充分展示,可以看到在里面的宇航员和在地球上生活无异。

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居住模组大小,图中在模组中的为演员凯特•玛拉

在2014年上映的诺兰烧脑科幻大片“星际穿越”中,主角团们乘坐的探险船“永恒”号更是直接通过旋转飞船整体来为在飞船外围的居住模组提供人工重力。电影中更有详细展示飞船内部从零重力逐渐到1G重力的过程,甚至有展示宇航员不适应旋转式重力而头晕的现象,具体为何会不适应后文中会提及。这也就引出了作为死理性派对于上述两个常人眼里已非常科学的科幻作品的质疑,旋转式重力固然符合物理理论,但电影中展示的比例是否科学呢?

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“永恒”号

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通过以上公式可看出,向心加速度(a)是圆周半径(R)乘以角速度(w)的平方,也就是说若要达到1G的向心加速度,要不增加圆周半径要不增加旋转速度(及角速度)。而根据“火星救援”电影里的预估,人工重力模组的角速度大约为0.109弧度/秒,而根据演员凯特•玛拉的身高和电影中展示的她和整个旋转模组的比例,预估旋转模组半径大约为15米,可算出向心加速度仅0.178米/秒,也就是只有大约不到0.02G,毫无疑问宇航员在这样的旋转模组中是不可能和地球上一样的。显然在具体比例上,“火星救援”电影也走了太空歌剧的艺术正确优先于科学正确的老路

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显然以这样的比例是无法达到人工重力的

星际穿越里的“永恒”号又如何呢?同样根据电影中展示画面预估,“永恒”号的旋转速度大约为0.55弧度/秒,半径约为32米,因此可计算出“永恒”号内向心加速度为9.68米/秒,已和1G几乎无异。诺兰果然不负其严谨的一贯作风,在飞船的比例上也没有马虎完全符合计算。一个充满着虫洞黑洞和高维空间的科幻片居然比一个火星种土豆的科幻片还要科学,惊不惊喜意不意外?

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“永恒”号设计图

那么如果按照实际向心力计算,“赫耳墨斯”号应该是什么样子的呢?火星救援小说中有写人工重力模组内只有0.4G,按照0.109弧度/秒的角速度计算,旋转模组半径需要整整329米。这是什么概念呢,波音777的翼展61米,也就是“赫耳墨斯”号的半径至少是5架波音777的翼展,如此庞大的旋转机构估计几个IMAX电影屏幕都展示不下。而若维持15米的旋转半径,则要达到0.4G需要大约0.52弧度/秒的角速度,也就是4.96RPM(每分钟转速),这已经和“永恒”号非常接近了。但是符合物理就完了嘛?对于人类所能承受最快转速是多少至今科学界仍有争议,但一般认为长时间处在3RPM或以上环境下会造成严重不适,4.96RPM的宇宙飞船毫无疑问是不可取的。真是可惜,“星际穿越”通过了物理的科学考核,却没能通过生物的科学考核

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真正符合所有科学的旋转式人工重力飞船是什么样子的呢?上图中展示的美剧“无垠太空”(或译为苍穹浩瀚)中小行星带联盟的旗舰“巨兽”号(Behemoth)便是很好的例子。“巨兽”号正如其名是一艘巨舰,外观上颇似一个巨大的圆柱体,通过半径450米的巨型旋转机构为舰内提供人工重力。按照剧中设定“巨兽”号原名为Nauvoo,是一艘为了星际航行而设计的世代殖民宇宙飞船,为了在惯性漂流时提供重力,飞船中部可通过旋转来产生1G的向心加速度。按照450米的半径计算“巨兽”号达到1G只需要维持0.148弧度/秒的旋转即可,也就是仅1.4RPM,完全在人类可接受范围之内。当然为驱动庞大的旋转机构,“巨兽”号内有数个核反应堆提供动力,最少人员编制也有4000余人,在“无垠太空”的世界观里可谓一个奇葩。

 

片中巨兽号启动的片段,推荐观看

(此剧评分一路走高,第三季豆瓣评分已高达9.5分,是近年来难得的高分科幻剧集)

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“巨兽”号内部巨大的旋转机构

值得一提的是旋转式人工重力并不是“巨兽”号提供人工重力的唯一方式,事实上在“无垠太空”的宇宙中,舰船用旋转式人工重力非常少见,固定空间站和小行星殖民地上使用的更多,线性加速才是被所有民用和军用宇宙飞船采用的人工重力方式。

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对于人来说,左和右感受到的是一样的。

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早在思考广义相对论的时候,爱因斯坦便提出如果引力是作为人向地面的压力而存在,那么如果有一个力可以把地面推向人并保持9.8m/s^2的加速度,那么对于人来说这个力的感觉便和引力一样了。换句话说如果一个飞船可以保持任意方向持续1G的加速度,那么飞船内的人便会感觉和在地球一样。“无垠太空”中的飞船不管是布局还是构造都像在底层安装了引擎的摩天大楼,而不像其他太空科幻中参考的现代舰船。在这样的飞船中船尾引擎对应的不是后而是下,船艏对应的不是前而是上,每层甲板如楼层一般布置,因此飞船在持续1G加速或者持续1G减速时便能在内部产生线性加速度,进而构成人工重力

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是不是有在看摩天大楼的错觉?

值得一提的是维持1G的加速度也是一种非常高效的太空飞行方式。以从地球去火星为例,现阶段的方法为在地火转移窗口时通过短时间的加速把载荷提升到一定速度后依靠惯性飞抵火星,而后再利用火星引力和大气来完成减速,最短也需要至少半年的时间抵达火星。如果采用维持1G加速度的方式,前半段航程加速后半段航程掉头减速,则最短可在1.9天内到达火星。对你没看错,尽管1G的加速度看似不多,但保持加速度便能如滚雪球一样为飞船带来极快的飞行速度,仅需1天22小时便可覆盖现在180余天才能覆盖的距离。

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起始速度为0,维持数天便可离开太阳系

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若维持一年则已跨越一半光年(注:此时速度已经接近光速,固不可能维持超过一年的持续1G加速度)

既然如此高效为何现在没有飞船使用呢?原因在于要维持1G的加速度需要引擎有足够推力的同时还要有极高的燃料利用率,也就是常说的比冲。“无垠太空”中的飞船能保持1G加速飞行,是因为火星人所罗门艾普斯丁发明了一种采用磁圈电离燃料推进的引擎,可以理解为现代离子推进器的超级升级版本得益于“艾普斯丁引擎”高达1100000s的比冲,“无垠太空”中的舰船才能在线性人工重力的环境下短时间跨越太阳系,可以说该剧中人类能对太阳系内各星体完成殖民,“艾普斯丁”引擎功不可没。当然哪怕再符合科学科幻也还是科幻,现在NASA所测试的持续工作时间最长(约12小时)的X3离子推进器比冲仅3100s,和“艾普斯丁引擎”有着数个数量级的差距,推力更完全没有可比性。

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NASA测试的X3离子推进器的喷口,和传统火箭引擎锥状喷口大不相同

和旋转式人工重力相比,线性加速式人工重力的缺点在于飞船不能静止,但优点在于由于不需要庞大的旋转机构,不管多大还是多小的飞船都可以使用除此之外线性加速还没有旋转式的副产品,科氏力。科氏力简而言之便是因为旋转的惯性,原本直线的运动会拐弯偏移,本质其实也不是力。北半球台风逆时针旋转南半球台风顺时针旋转,便是地球自转产生的科氏力的结果。

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受科氏力影响北半球台风逆时针旋转

我们在日常生活中没有感受,是因为地球半径很大且自转速度仅为0.000696RPM,所以旋转所产生的科氏力很小,只有在时空尺度非常大的人造物体上才有表现,比如长途飞机和洲际弹道导弹等。不过对于旋转式人工重力而言则不同,由于旋转角速度远高于0.000696RPM且旋转半径远小于地球,科氏力的影响会变得非常明显,这一点在“无垠太空”中位于小行星带的谷神星人工空间站中便有最直观体现。

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谷神星空间站内部构造

谷神星自身质量不大引力微弱到可忽略不计,为了在谷神星空间站中制造人工重力,整个谷神星都被施加了旋转以达到1G的加速度。结果便是如下图所示,原本应垂直下落的威士忌“拐弯”落入了杯中,且从酒是向左倾斜还可看出谷神星空间站是逆时针旋转的。显然对于习惯地球重力的人来说,谷神星空间站的生活会非常难受,刚刚到达时很容易产生头晕呕吐等症状。这也是为何尽管“巨兽”号有旋转式人工重力舱,其绝大多数时候依然采用线性加速来提供人造重力。这里不得不说,“无垠太空”是到现在为止,在多如牛毛的科幻片中唯一一个将人工重力以几乎完全符合科学的形式展出出来的作品。(主页君注:有关本片的科幻设定,我们精选了一篇知乎回答,有兴趣可以点击文末的查看原文来浏览

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《无垠太空》中在谷神星空间站内倒酒的片段

何为科幻?科学幻想之所以有科学的前缀正是因为这不只是幻想,而是对未来可能性的一种畅想。现在所熟知的火箭发射倒计时形式,是源自德国导演弗里茨•朗在1928年拍摄的科幻电影“月亮上的女子”(Frau im Mond,见下图),当中为了能戏剧化火箭发射而刻意让发射人员从10数到0。结果该设计被冯布劳恩为首的德国火箭研究者所喜爱,大喊出来最后10秒的倒计时便这样字面意义上以戏剧化的方式成为了火箭发射必不可少的一部分。或许人们对太空科幻里人工重力的热爱,并不只是为了体会作品中天马行空的想象,更是期望科幻中所展示的未来能有朝一日照进现实。

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毕竟从科幻到现实,总共只用了41年。

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(全文完)


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