作者：赵洋

众所周知，尽管航天员可以把空气、食物、水和书籍等物带到太空中去，尽可能地模拟舒适的地球环境，但有一样东西是无法被带入太空的，那就是重力。人一出生就在地表感受到9.8m/s2，即1g的重力加速度，并深受其影响。人的骨骼、肌肉、空间感觉系统都是为适应这种重力环境的。一旦脱离重力，一切都会紊乱。

看来，旋转产生的人工重力存在着先天的弱点。要更好地确定何种旋转速度、旋转半径才能产生“健康”重力，必须进行更多的实验才行。在未来的太空旅馆，对于不同耐受力的游客，是否得有不同的重力方案？罗伯特·索耶在《计算中的上帝》中干脆设想了具有两个同轴离心机的航天器，产生不同的人工重力——外圈的那个模拟长蛇星座第二-Ⅲ上的环境，里面那个则模拟孔雀星座第四-Ⅱ。这样来自不同星球的外星人就都能自得其所了。

在航天器内制造人工重力的途径有两种：一是由整个航天器不断旋转而产生“全时人工重力”，或称“连续性人工重力”；二是由短臂离心机定时旋转产生“间断性人工重力”。

在失重环境中，你会有完全不同于置身地面的感觉。由于缺乏重力，航天员最先感觉到的就是身体飘浮，有一种无休止的“下落感”。人身上所有与重力有关的感受器都发生了变化，四肢感觉不到重量，人体感觉不到头部的活动。这种异常的感觉使航天员产生定向错觉，比如用手推拉舱壁时，航天员感觉不到是自己在前后运动，而会认为是航天器在前后运动，自己则是静止不动的。

上述设想和试验在科幻史诗片《2001：太空漫游》中得到充分展示。影片中的近地空间站是车轮形的，“发现”号飞船内有直径11米的离心机，它们都通过旋转产生人工重力。弗洛伊德博士在近地轨道停留的一号空间站“直径三百码的圆盘缓缓地转动着，太阳照在光亮的金属表面上，闪闪生辉” 。该空间站每分钟转一圈，产生的离心力大小相当于月球的重力。航天员弗兰克·普尔在“发现”号内慢跑的场景也成为科幻影史的经典镜头，库布里克花了75万美元建造了这个1:1的模型，以至于他后来开玩笑说：“也许可以通过在离心机里发展旅游来收回一些成本。”根据设定，飞船内的离心机可以在必要的时候停止旋转，这时，角动量要储存在飞船的飞轮内，以便再次启动。

弗诺·文奇在《天渊》中设想了终身都生活在不断变化的加速度中的“青河人”，他们有最好的医疗手段，加上从小培养，极少产生因方向感丧失造成的不适。有人说，人类胎儿在母体内是头朝下的，但并未表现出眩晕的症状。这说明对重力的适应很可能是后天形成的。或许，在太空失重环境中出生并长大的第一代人类将能在感觉上适应失重。但是，这种人体试验触及科技伦理，任何人都不能贸然尝试。

失重带来的另一个令人担心的生理变化，便是心脏功能的改变。在失重环境影响下，体液向上半身转移，血液充盈在胸腔、颈部和头部。这种体液转移，迫使心脏扩大，以控制增多的血流量。生理系统对几乎零重力的反应，通常还包括激素血液水平的改变（损害免疫系统）和人体接受药疗能力的减弱。

由此可见，使用持续加减速虽然能营造与地球重力无二的人工重力，却过于耗费燃料，不符合节能减排的风尚，也不是资源匮乏的地球所能负担的。但在短途旅行中，却可以一试。在金·斯坦利·鲁宾逊的《冰柱之谜》一书中，从地球到火星的飞船保持“加速-减速”的飞行方式，在大部分时间里营造出火星一半的重力，以确保航天员身体健康和尽快适应火星重力。

20世纪60年代，美国航天医学家在地面上利用慢速旋转室，开展了人在旋转环境停留的试验。结果发现，当加速度小于等于每分钟3转的时候，对人的身体健康和工作能力没有影响，当角速度达到每分钟3~6转的时候，经过6~8天，人就能适应，后续的停留不会影响身体健康和工作能力。但是当角速度超过每分钟6转时，受试人员就会出现平衡障碍。 “科里奥利力”也是旋转航天器内不容忽视的现象。想象你和朋友坐在旋转木马上，把球抛给对方。这样在地面静止环境下的简单运动，在旋转环境中会变得古怪。当你投球时，球并不是像平常那样沿着直线前进，而是出现了偏离。投球时，你会感到胳膊好像被一种奇怪的力拉向一边，很难控制球按照预期的方向抛出去。这就是“科里奥利力”，在任何一个旋转系统中都有它的身影，就连台风的旋转方向也受到它的影响。自然，航天员的行动和操作也不会例外。

与此同时，苏联也在策划类似的试验。冯·布劳恩的竞争对手科罗廖夫计划在飞船和最后一级助推火箭之间连一条系绳，然后让二者旋转起来，为航天员提供人工重力。苏联计划一次飞行二十天，盖过美国人的风头，但科罗廖夫的早逝使该计划未能实现。迄今为止，“双子星座”11号任务是唯一一次太空载人人工重力试验。

因为在太空中进行载人旋转试验实在困难，于是，苏联在太空中进行了人工重力对动植物生命过程影响的研究。1975年，“宇宙-782”号卫星上安置了一台小离心机，当离心机旋转时，产生的重力和地面重力相等。装有细菌、植物种子和鱼卵的容器放在平台上。生物卫星飞行了十九天半后返回地面时，科学家发现，这些生物并未受到失重的影响，它们的生长发育跟在地面上一样。1977年，三十只老鼠随“宇宙-936”号卫星进入太空，其中十只在离心机上，受人工重力的影响；另外二十只在失重状态下生存。离心机在入轨后以54转每分钟的速度开始旋转，产生的重力和地面相等。这颗生物卫星飞了十八天半，结果在离心机上的老鼠的水和电解质丢失、骨骼肌萎缩、代谢紊乱和骨骼变化都比对照组老鼠小。这说明，人工重力可减少失重对生理系统的影响。不过，离心机上的老鼠也出现了其他的不良反应——脑皮层工作能力下降、脑蛋白质代谢受到抑制、前庭功能的敏感性增高，这极可能是由于离心机的臂（回转半径）太短、转速太快造成的。因为人在转速快的离心机中，也会产生前庭器官的一些反应和幻觉。

据说爱因斯坦小时候曾思考过这样一个问题，如果人坐着电梯自由落体，他会看到什么现象、有什么感受？后来他得出答案：这时，电梯中的人将感觉不到重力的存在。参考系的加速度是与引力场等效的。这也说明，如果火箭以1g的加速度进行匀加（减）速飞行，火箭中的人将感受到与地表一样的重力。

虽然旋转产生人工重力是一个简单可行的办法，但人长期生活在这种旋转的环境下，是否可以适应？人的感觉系统是否能承受？在建造人工重力的太空站之前，首先要回答上述问题。如果人不能适应旋转环境，就不必花费巨额资金去建造拥有人工重力的旋转航天器了。

如果空间站的旋转半径是30~300米的话，人工重力对人的不利影响会相应减轻，不会出现明显的动作失调和前庭症状。但是，这种规模的旋转航天器在现阶段还不能投入实际应用。从工程学的角度来看，更加可行的方案是，在飞船内，设计出一种体积较小、高速旋转的离心机。然而，小型离心机有一个重大缺陷，即如果离心机的直径为6米（这种体积在飞船中已经是相当小的了），它必须以每秒30圈以上的速率旋转，才能在航天员脚部产生与地球重力相当的吸引力。但这种旋转速率却足以使航天员患上严重的太空运动病，触发眩晕、呕吐。假设你躺在一台短臂离心机的旋转轴上，头部靠近中央位置，腿朝外，如果腿上的离心力是1g，那么头部只能感觉到0.2g，甚至更低。这与人在地球上所感受的均匀重力很不同。快速旋转还会产生另一种不良反应：当你在一个快速运动的离心机中快速转动头部时，你会感到很不舒服，有像翻跟头一样的感觉。在一些离心机的实验中，经常用一个装置来固定被试者的头部，就是为了防止出现上述错觉。然而在太空飞行的时候，固定航天员的头部显然是不现实的。

1928年，奥地利作家赫尔曼·诺丁提出了人工重力空间站的详细设计。这个名为“生命之轮”的空间站外观呈轮形，轮轴的一端是发电站和天文台，另一端是巨型凹面镜，可汇聚阳光产生动力，驱动居住舱所在的轮形结构。

航天员在长期的太空飞行中，会产生一系列与衰老相似的生理变化：骨质疏松、肌肉萎缩、 心血管系统失调、站立耐受时间下降、贫血、细胞免疫系统受到抑制等。以骨质疏松为例，人的骨密度在35岁左右达到最大值，之后以大约每年0.5%的速度下降。但航天员在轨飞行时，平均每个月就将丢失1%~2%的骨量，相当于平时二到四年的量。骨量的丢失主要发生在腰椎、骨盘等承重骨上。按照这种丢失速度，两年半的载人火星飞行，预计航天员将丢失20%~30%的骨量，其丢失程度与80岁的老人相当。踏上火星红色土地之时，就是航天员手脚瘫软、发生骨折之日。

只要是牛顿力学范畴内的航天技术，都绕不过齐奥尔科夫斯基他老人家。之前没有人像齐奥尔科夫斯基那样，在技术实现宇宙航天之前，提出宇宙航行的大量技术途径。通过旋转产生离心力来模拟重力，也是最早由他提出的。早在1883年，这位航天先驱就在手稿《自由太空》中探讨了使航天器旋转以产生人工重力的可能性。

在郑文光的科幻小说《飞向人马座》中，因为程序错误，“东方”号载人火箭以60m/s2的加速度持续加速飞行了185个小时，直至燃料耗尽。在这期间，火箭上的三个意外乘客承受了相当于地面体重6倍的过载，举手投足都异常困难。如此长时间的过载竟然没有给他们留下什么后遗症，也算是奇迹了。

专业人士提出人工重力的设想是在1953年。当时在美国未受重用的德国火箭专家冯·布劳恩在《科里尔周刊》上发表文章，对未来的太空事业进行科学幻想。他提出，火星远征船队的出发地是一个位于地球上方1730千米处的旋转空间站。这个直径76米的空间站有三层甲板，以增强尼龙纤维制成（如果放在21世纪，就应该是碳纤维），外面覆盖金属板。每分钟旋转三圈，可为内部人员提供0.3g的人造重力。

进入60年代，登月竞赛的压力使美苏两国开始研究一些看似天马行空的技术。“系绳航天器”就是其中之一。系绳可以作为固定空间站位置的一种手段，在系绳两端绕转的飞行器内也可产生一定人工重力。1966年，美国的“双子星座”11号飞船进行了系绳试验。航天员把36米长的绳子连在“阿金纳”火箭的外壳和他乘坐的飞船之间。然后二者以每分钟0.15圈的速度相互绕转，旋转半径19米。此时，飞船内的乘员受到0.0005g的人工重力，当航天员把手中相机松开，相机会沿着平行于系绳的方向直线运动到座舱后部。虽然感受不到如此微弱的重力对生理的影响，航天员仍报告说这是“一次有趣而莫名其妙的体验”。

长时间进行太空飞行返回地面后，航天员一般需要几个星期的时间才能恢复到飞行前的健康水平。至于航天员在失重环境滞留时间加长是否会导致体能下降的时间也延长，从而影响飞行操作或对身体带来永久性伤害——根据多国太空生理学家提供的答案来看，都可以归结为一句话：“不知道。”也就是说，对于时间更长的失重是否会引起心血管、肌肉、骨骼系统不可逆的改变这个问题，科学家还没有确切的答案。

阿瑟·克拉克对人工重力的喜爱也可谓情有独钟。在1972年出版的《与拉玛相会》一书中，克拉克构想了直径16千米、长50千米的圆柱形星际探测飞船。当拉玛飞船以每分钟0.25圈的速度旋转时，内表面可以产生接近地球表面的人工重力。用克拉克的话说，“一颗小行星的正常‘白天’一般为几个小时，而‘拉玛’却仅为四分钟。在这小小星体的‘赤道’上，自转速度竟达每小时1000千米以上。”实际上，圆筒形人工重力航天器并非克拉克首创，早在1956年，达雷尔·罗米克就提出了能容纳两万人居住的直径300米、长1000米的轨道空间站设想。

对人工重力建筑的最恢弘设想，也许非拉里·尼文的《环形世界》（1970）莫属。智慧文明在相当于太阳到地球距离的地方，建立了一个与地球轨道直径大小相等的人工环。在这个人工建筑上，内部可居住区长六亿英里、宽一百万英里。它以每秒1200千米的速度围绕一颗黄矮星转动，以产生人工重力，这相当于地球公转速度的40倍，结果就是一年只有九天。数百万人口挤在厚度五十英尺的建筑物里。遗憾的是，有热心读者计算发现，这条人工环不可能永久存在。原因很简单，看看土星环就知道了，引力会将固体环撕裂。而且巨环处于不稳定状态，任何微小的扰动，比如一颗流星的撞击，都会使整个环形世界飘向中央恒星。拉里·尼文也算从谏如流，在1979年出版的《环形世界的魔术师》一书中，为环形世界的不稳定性做出了解释。

失重不仅威胁航天员的健康，还会造成“环境污染”。航天器中各种细小的颗粒会一直飘浮着，对舱内气体造成污染。航天员必须使用类似吸尘器的装置，及时清理这些细小的悬浮颗粒，以免危及航天员的健康或影响设备的运行。如果能够通过技术手段在太空制造出人工重力，就可以彻底解决上述问题。有了人工重力，那些细小颗粒就能自动落到“地面”，航天员不必花时间去清理。此外，吃饭、喝水、如厕、睡觉等方面的不便，也可以迎刃而解。

俄罗斯对“和平”号空间站航天员的研究表明，每天2~4小时的跑步机运动也难使骨密度保持正常。在失重飞行中进行体育锻炼，虽然对保持航天员有氧能力与肌肉质量、功能有一定效果，但对预防飞行后立位耐力不良却没有明显作用。而体育锻炼一定程度上还会过多地耗去航天器内费用高昂的生命支持物资，占用航天员的工作与休息时间，因此并不适用于长期太空飞行。

钱学森在20世纪五六十年代就思考过在恒星际飞行中，以持续加减速产生人工重力的问题。根据他在《星际航行概论》一书中的计算，使用当时人类掌握的最强的氘聚变做火箭推进能源，喷气速度达到1.5万千米每秒，持续加速以提供人工重力，在飞向比邻星时，飞船最高速度可达到80%光速。在这种设定下，火箭起飞时的质量与飞船最终质量的比值（质量比）得达到34.8亿才行。这还不够，在接近目的地恒星时，飞船还要从0.8倍光速减速到很小的速度以便降落在恒星的行星上，然后还要从行星上起飞返回地球。这样质量比就是34.8亿的四次方，即1.5x1038；如果回到地球的返回舱重1吨的话（这已经很小了，连神舟飞船的返回舱都重8吨），那么飞船加火箭的起飞质量就是1.5x1038吨，这已经超出了太阳系的质量！要想降低质量比，就要使用更高能的火箭燃料，提高火箭喷气速度，比如将喷气速度提升至0.5倍光速，上述例子中的火箭飞船起飞质量可降低到约7000吨。但是，现在还想不出有什么技术可以使喷气速度达到0.5倍光速。考虑到钱学森做这些计算时中国还没有发射人造卫星、美国人还没登上月球，这的确是富有科幻色彩的研究。