为什么人们在太空中没有重力「太空到底有重力还是没重力」

汇能滚动 2023-06-18 19:15:02

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在外层空间由于航天器及个人都具有同样的重力加速度,表现为失重

把一个人放入太空,远离地球表面的引力束缚,他们会体验到失重。尽管宇宙中所有质量仍然用引力拉着他们,它们以同样引力拉着你的飞船,所以你会漂浮着。但是,在《星际迷航》这样的电视节目和电影《星球大战》,《太空堡垒》里很多人一样,你总是看到船上的船员稳定站在星际飞船的“地板”,不管其它任何条件。这将需要某种类型的人造重力是物理理论上是可行的,但以我们目前知道的科学来说这是一个艰巨的任务。

Gabriel Lorca舰长在发现号人造重力的舰桥上指挥一个模拟与克林贡作战任务

万有引力,爱因斯坦的重大理论是等效原理:一个匀加速参考系的引力场。如果你在一个火箭飞船无法查看外面周围,就没有办法知道是怎么回事:你是因为受到向下的重力,还是因为你的火箭是在一个特定的方向加速所以你觉得有向下的力?这是这一想法导致了广义相对论,100多年后,这是我们知道的最正确的描述重力和加速度的理论。

爱因斯坦的等效原理的演示:一个球掉到地板上的相同的行为在一个加速火箭(左)和地球上(右)

还有一个技巧我们可以使用:我们可以让一艘宇宙飞船旋转。而不是一个线性加速度(如推力火箭),你可以在工作中有一个向心加速度,船上的人会感到被推向中心。这被用于著名的《2001:太空漫游》,并且,如果你的飞船足够大,是那么跟引力就没有区别。

但这绝对是,这三种类型加速——重力,线性加速度和旋转——是仅有的对重力有影响。

1969年的概念,空间站沿着中心轴旋转产生人工重力

为什么?因为如果你想旅行到另一个恒星系统,你必须加速你的船到达那里……一旦你到达需要减速。除非你可以保护自己免受这些加速度,否则灾难在等着你。例如,在《星际迷航》为了加速到全速,几个百分点光速,即使你花一个小时加速也将导致经历超过4000 gs的加速度。

火箭加速度不只是瞬时,而是发生在很长一段时间,星际飞船加速度更是比人体能承受的大许多倍

此外,除非你想要在漫长的旅途中有效地失重——将自己置于可怕的生物消耗如骨质疏松和空间失明——你需要某种类型的力不断保持你的身体。对于其他力,这是方便可行的。例如,在电磁学中,你可以把船员进行传导性掩体,使任何外部电场抵消掉。您可以在里面设置两个平行板,和一个恒定的电场,导致电场“推”向一个特定的方向。

只要重力以相同的方式工作。

电容器的原理图,两个平行的导电板大小相等的正负电荷,它们之间创建了一个统一的电场

没有所谓的引力导体,也没有办法保护自己免受重力。没有办法在空间区域或两个板块之间建立一个引力场。为什么?因为不像电力,由正电荷和负电荷产生,只有一个类型的引力电荷,“质量和能量”。重力永远是吸引力。相反,你必须尽你所能的利用三种加速度类型——重力加速度,线性和旋转。

宇宙中绝大多数的夸克和轻子由物质组成,但它们都存在反物质,其引力质量是不确定的

唯一的办法你可以有人造重力,既保护你免受加速度的影响和给你一个常数 “下行”而不需要加速,如果你发现了一种负引力质量。我们已经发现所有的粒子和反粒子有积极的质量,但这些都是惯性质量,当你谈论加速或创建一个粒子的质量。(即F = ma和E = mc2)。我们已经证明,我们知道的所有粒子的惯性质量和引力质量是相同的,但我们从来没有充分测试反物质或反粒子。

ALPHA实验已经是测量中性反物质在引力场行为的最接近的实验

现在已有相关实验正在努力!在欧洲核子研究中心阿尔法实验创建了反氢原子:稳定形式的中性反物质,并正在努力从所有其它粒子以非常低的速度隔离。如果它变得足够敏感,我们可以测量它的引力场。如果它下跌,如果和普通物质一样,那它的的引力质量就是正的,我们不能使用它来构建一个引力导体。但是如果它在引力场往上掉,那么这将改变了一切。一个单一的实验结果。人造重力会突然成为一个物理可能。

人造重力的可能性是诱人的,但它是基于负引力质量的存在

如果反物质为负向引力质量,然后通过在天花板设置反物质,地板上设置正常物质,我们就可以创造出一个人造重力场,总是往下拉你。通过在航天器的船体外壳构建一个重力进场,使里面的每个人都免受致命的超快速加速的力量。最为引人注目的是,人类在太空将不再遭受负面的生理效应,从目前困扰着宇航员的平衡失调到心脏肌肉的萎缩。但是除非我们发现一个粒子(或一组粒子)具有负引力质量,否则人造重力只能通过加速度带来,不管我们是多么聪明。

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