【博科园-科学科普】如果把一个人放在太空中，远离地球表面的重力束缚，那么他将体验失重的状态。尽管宇宙中的所有物质都在引力作用下“拉”着它们，同样也会拉着飞船，所以人会漂浮着。
在外层空间，即使宇宙中的所有质量都像正常一样被吸引，在地球上没有“向上”或“向下”，因为宇宙飞船和船上的每个人都以同样的速度加速。图片版权：NASA / ESA / ISS Expedition 37
在电视节目和电影如《星际迷航》、《星球大战》、《太空堡垒卡拉狄加》和其他许多电影中，总是能看到飞船的船员在飞船的“地板上”，而不管其他任何条件。这需要某种形式的人工重力物理上的可能，但这对于我们目前了解的科学规律来说是一个艰巨的任务。
船长加布里埃尔·洛尔卡(Gabriel Lorca)在这一发现的桥梁上，用克林贡人模拟作战任务，全体船员被人工重力所束缚，这是今天的科学幻想的技术。图片：Jan Thijs/CBS 2017 CBS Interactive
对于引力，爱因斯坦的等效原理：一个一致加速的参考系与引力场是不可区分的。如果人在一个火箭飞船上无法看到周围的宇宙，就没有办法知道哪个位置是怎么回事，人觉得重力是向下的力，因为在火箭上是在一个特定的方向加速，这就是导致广义相对论的观点，100多年后，这是我们所知道的关于引力和加速度的最正确的描述。
加速的火箭(左)和地球(右)上，一个球的相同行为是爱因斯坦的等效原理。图片：Wikimedia Commons user Markus Poessel, retouched by Pbroks13
如果喜欢的话，还有另一个技巧：可以让飞船旋转，而不是线性加速(像火箭的推力)，可以在工作中有一个向心加速度，在那里的人可以感觉到飞船的外壳把他推向中心。这在2001年就被用过了——太空漫游，如果宇宙飞船足够大的话，就很难与重力区分开来。
这三种加速度——引力，线性和旋转——是我们仅有的具有重力效应的，这也是宇宙飞船上的一个大问题。
一个1969年的空间站概念，从阿波罗计划的各个阶段组装到轨道上。空间站在其中心轴上旋转以产生人造重力。图片：NASA
为什么？因为如果想去另一个星球系统旅行，就必须加速飞船到达那里…当到达时，也必须减速船。除非能保护自己不受这些加速度的影响，否则灾难性的后果将不可避免。例如在星际迷航中加速到完全的制动，光速的几个百分点，即使花了一个小时的时间来达到速度，也会让经历超过4000个加速度。这比防止血液从体内流动所需的加速度要高出100倍，无论你如何旋转，都是不好的情况。
1992年哥伦比亚号航天飞机的发射表明，加速并不仅仅是火箭的瞬间，而是在很长一段时间内发生。对于星际飞船而相对于火箭来说，加速度将会比人体所能承受的速度还要大很多倍。图片：NASA
此外，除非想在长途旅行中有效地失重——让人遭受可怕的生物损耗，比如骨质流失和太空盲症——到时需要持续不断地施加在身体上的某种力。对于其他力，这很容易做到。例如在电磁学中可以把工作人员安置在一个导电外壳内，任何外部电场都被抵消掉。然后你可以在里面设置两个平行的板块，并有一个恒定的电场，使电荷被“推”到一个特定的方向。
如果重力的作用是一样的。
一个电容的原理图，两个平行的导电板有相等的和异种电荷，在它们之间形成一个均匀的电场。然而重力是不可能的，除非有某种形式的负引力。图片：Wikimedia Commons user Papa November
没有重力导体之类的东西，也没有办法保护自己不受地心引力的影响。在一个空间区域内，没有办法建立一个统一的引力场，比如两个板块之间。由正电荷和负电荷产生的电力不同，只有一种类型的引力“电荷”，那就是质量和能量。引力总是有吸引力的，这是没有办法的。相反必须尽所能用三种类型的加速度——重力，线性和旋转产生的等效重力对人来说是可用的。
宇宙中绝大多数夸克和轻子都是由物质组成的，但它们中的每一个都存在反物质，它们的引力质量是待定的。图片：Contemporary Physics Education Project (CPEP), U.S. Department of Energy / NSF / LBNL
唯一人造重力的方法，既能保护人免受飞船加速的影响，又能不断地“向下”拉，而不需要加速，那就是需要发现了一种负引力质量。我们发现的所有粒子和反粒子都有一个正质量，但这些都是惯性质量，或者当加速或创造一个粒子时的质量，（也就是说m = ma，m在E = mc^2）科学家已经证明了惯性质量和重力质量对于我们所知道的所有粒子都是一样的，但是从来没有对反物质或反粒子进行足够的测试。
在任何实验中，阿尔法都是最接近于测量在引力场中中性反物质的行为的。图片：Maximilien Brice/CERN
现在有很多实验来做这个！欧洲核子研究中心的ALPHA实验已经制造出了反氢原子：一种稳定的中性反物质，并且正在以极低的速度将其与其他粒子隔离开来。如果它变得足够敏感，就可以测量它在引力场中下落的方式。如果它下降，和正常物质一样，那么它有正引力质量，但不能用它来建立重力导体。如果它落在引力场中就改变了一切。只有一个实验结果，人造重力会突然变成物理上的可能性。
人工重力的可能性是诱人的，但它是建立在负引力质量的前提下的。反物质可能是，实验上我们还不知道可行性，。图片：Rolf Landua / CERN
如果反物质有负的引力质量，那么通过设置反物质的上限和正常物质，就可以创造一个人为的重力场，它总是把你拉下来。通过建造一个以重力为基础的外壳，作为我们的飞船的外壳，每个内部的人都能免受超快加速的影响，否则会被证明是致命的。最引人注目的是人类在太空中不会再遭受负面的生理影响，从平衡失调到心脏肌肉萎缩，目前困扰着今天的宇航员。但是在我们发现一个具有负引力质量的粒子(或一组粒子)之前不管我们有多聪明，人造重力只能通过加速来实现。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
