人造重力离现实有多远

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电影《安德的游戏》中 ,主人公安德和他的队友们第一次走进零重力战斗室,发现自己漂浮在空中,变得手足无措,难以分清方向。作为战斗学校的一个重要训练项目,零重力室无论在电影和小说中,都有着重要的位置。

  在安德的世界中,人类已经可以在太空中产生人造重力,安德在到达ISL(Inter Stellar Launch,内恒星空间站)之后,他们已经可以像在地球上一样,正常地进行日常生活,而不用像“天宫”中的宇航员一样,漂浮在舱内。在小说中,传奇指挥官马泽·雷汉(Mazer Rackham)曾经告诉安德,重力的操控是从虫族学来的某种重力增强技术。

  我们目前显然还没有遇到如此强大的虫族,那么在目前的技术条件下,人类是否可以在空间站产生人造重力呢?

  粗放的实现方法:住在“圆筒”里

  从理论上来讲,最直接的一种方案当属通过旋转空间站来实现:我们可以让一个圆筒状的空间站沿着轴线转动,从而使得在居住在圈桶内壁的人员感受到一种人工重力效应,这就是著名的离心效应或者向心力作用。

  形象点来说,就好比在旋转的洗衣机滚筒中,衣服都会贴在两边的筒壁上,而并非漂浮在中间的水里。

  
圆筒形空间站概念图

  不过这样的空间中还会有另外一个问题,那就是科里奥利效应。这种效应可以这样理解:假如我在地球上,要在一个转动的圆盘上面走一条(相对于地面)的直线,那么我实际走出的路线,在这个圆盘上看来却是一条弯曲的曲线。似乎在圆盘参照系中,我受到了一个额外的力的作用,垂直于我的运动方向,这个假想的力就是 科里奥利力

  刚才我们提到,人造重力可以在一个不停旋转的空间站中实现,所以这种效应也会影响人们在旋转空间站中的生活。问题在于,这种科里奥利效应会在多大程度上影响空间站成员的生活呢?

  在上面图片中这种圆筒状空间站中,对于自由落体运动,下落的高度越高,横向的偏离就越大,而圆筒空间站的半径越大,横向的偏离就越小。如果我们把空间站的半径建造得足够大,那么这种科里奥利效应造成的自由落体横向偏离就会变得很小。

  更直观一点来说,如果我们建造一个半径10千米的圆筒空间站,在离内壁1米的高度让一个小球自由落体,那么小球落地之后的横向偏离有不到1厘米。这样的偏移程度对空间站中的正常生活就没有明显的影响。其实科里奥利效应在地球上也照样存在,因为地球也会自转的不是?但是我们正常走路开车打网球,也从来没有因为科里奥利效应受到任何的影响。

  实际上模拟出来的重力加速度是转速和圆筒半径同时决定的。只有我们做的空间站半径足够大,转速不需要很大即可保证某个合适的人工重力,这样科里奥利效应也会被控制得很小。

  上面讨论的这种圆筒状的空间站只是“人造重力”模型中比较简单的一种。20世纪70代,曾经有过很多的不同的空间站设计,另外一种比较简单的设计则是甜甜圈状的空间站。

  
甜甜圈状空间站概念图

  虫族科技可能是什么?

  上面我们提到了如何在整个空间站中制造人造重力,但是在实际操作中(以及电影小说中),宇航员们难免需要在空间站里提供一个特别的无重力区域,来适应太空中的失重环境。那么在空间站的设计中,又怎样达到这样的目的呢?

  其中一个重要的方式,就是建立分层。不管是哪种空间站,都可以建立分层,即在距离旋转中心(旋转轴)不同距离的地方建立居住区,距离中心越近,人造重力就越小。如果我们站在空间站的中心,那么人造重力就为零了,但是越靠近中心,科里奥利效应就越明显。所以如果把电影中的“战斗室”建立在空间站中轴上面的话,当人们从门口跳进来时,旋转会造成科里奥利效应等不必要的麻烦,也会影响训练的效果。

  在《安德的游戏》中,零重力战斗室的设计就更加聪明一些:中间的战斗室是不转动的,只有外部的生活区才转动。这样,战斗室的旋转所导致的问题就不会发生了。

  
《安德的游戏》中的战斗学校空间站,中间的球体是零重力战斗室

  说了这么多,其实ISL上“从虫族学来的”的神秘的重力控制技术并非上述几种之一,小说中也并没有给出明确的线索。不过如果我们大胆设想的话,除了我们提到的几点外,产生人造重力还可以使用加速过程,比如让ISL一直处在一个加速过程中、让ISL在广袤的宇宙中匀加速前进,或者让它在一个靠近行星的地方悬停,但这是个很浪费能源的方案,不是长久之计。

  还可以让ISL携带一个大质量的物体。在所有备选的物体中,小型黑洞可能是个不错的选择,比如捕捉很多小质量黑洞,放在一个装置中,就可以产生相应的重力,但是从捕获到储存,按照现在的理论,都还只是天方夜谭,而且带着地球这么重的物体,ISL的机动性简直会变为零。

  所以,我实在想不出一个现实的理论来为《安德的游戏》中的ISL提供重力,不过,在一个存在超距通信“安塞波”的故事中,无论出现什么样的技术都不足为奇了吧:)

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