现代科学对人工重力的研究论文

爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。引力波是波动形式和有限速度传播的引力场。爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在，但他提出的引力波与坐标的选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在提出引力波存在的初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，于是间接地证明引力波携带能量，并可被探测到。由于引力辐射极其微弱，目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波，而大质量天体的激烈运动，比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。多年来，各国科学家都在致力于探测引力波，美国马里兰大学的科学家韦伯首创用一根铝棒作为天线进行探测，并声称探测到了不能排除是引力波的信号，但其他科学家都没有得到这一结果，韦伯的结论没有得到公认。现在对引力波的研究方兴未艾，反引力或称反重力研究又提上了日程，这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想，科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华。中国科学家在这方面已经做了有价值的实验和研究。自从英国科幻小说作者威尔斯描述了“反重力”（能够屏蔽重力影响，使宇宙飞船飞向月球）后，反重力已经成为人类一个多世纪的梦想。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过从引力场中获取的能量驱动。这一会改变世界科学界和航空航天界禁忌的反重力研究，目前再次受到人们的关注，因为有消息说世界上最大的飞机制造商波音公司正在探索一些新概念，这些新概念可能在将来某一天彻底改变一个世纪来的推进技术。波音公司进行的反重力研究概括起来就是该公司一个名为“先进空间推进技术重力研究（Grasp）”的项目。《简氏防务周刊》获得的一份有关文件阐述了波音公司认为该项目获得成功的重大意义。文件中写道：“如果反重力是确实存在的，它必将改变整个航空航天事业。”这种评价可能还不够。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过“无推进剂推进”———一种从重力场中获取能量的模式来驱动。尽管，反重力是人们一个美好的梦想，但是传统科学长期认为，反重力是不可能的。1992年4月，已故的英国索尔福德大学教授、当时担任英国航天防御系统战略项目负责人的布赖恩·扬在伦敦机械工程师学会发表演讲，他在演讲中解释了为什么进行反重力研究与航空航天业乃至世界都有关。“Grasp”简报说明了波音公司为什么必须雇佣俄罗斯材料专家叶夫根尼·波德克列特诺夫的原因。波德克列特诺夫声称发明了可以屏蔽重力影响的装置。1992年，任职于芬兰坦佩雷技术大学的波德克列特诺夫向一家英国物理学杂志提交了一篇论文，他描述了被置于高速旋转的超导体（极低温度时失去电阻）上面的一个物体如何失去将近2％的重量。这篇论文泄漏给了一家报纸。一来因为它涉及禁忌的“反重力”概念，二来因为它在主流物理界掀起了轩然大波，波德克列特诺夫被学校开除了。但这位俄罗斯人的研究吸引了美国国家航空航天局的注意，该局早已同亨茨维尔亚拉巴马大学的一位研究员有联系，这位研究员宣称她能制造出一种类重力场，能够利用高速旋转超导体排斥或吸引物体。在20世纪90年代中期，位于亚拉巴马州的美国国家航空航天局马歇尔航天中心在重复波德克列特诺夫的实验时失败了。但是，该中心承认，不知道这位俄罗斯人制作超导盘的独特方法，它在很大程度上是在盲目地进行研究。几年前，美国国家航空航天局向俄亥俄州哥伦布超导元件公司支付60万美元，制造波德克列特诺夫曾使用过的装置，并且聘请了这位俄罗斯人做顾问。这项实验虽然被延期了，但该项实验的负责人罗恩·科措尔自信实验可以完成。现任职于莫斯科化学研究中心的波德克列特诺夫，进一步发展了自己的思想。他同意大利科学家乔瓦尼·莫达内塞联合发表了一篇论文，详细介绍了一种“冲量重力发生器”的研究工作，它能对所有物体产生一种斥力。该设备使用一个强放电源“发射器”和一个超导“发射器”，制造出了一种“重力冲量”。波德克列特诺夫说：“时间很短，沿着放电的线路以极快的速度（实际上是瞬时）进行传播，经过许多不同物体，没有任何显著的能量损失。”他说，实验结果是对光束击中的任何物体都产生了推力作用，大小同物体质量成正比。波德克列特诺夫在调整一个激光瞄准装置时说，他的实验装置已经显示有能力击倒1公里外的物体，他声称，这一装置用同样的能量可以击倒200公里外的物体。正是波德克列特诺夫的“冲量重力发生器”的研究工作引起了波音公司的注意。在那份“Grasp”简报中，波音公司描述了该装置发出的光束如何不受任何电磁屏蔽影响，可以穿透任何物体而达到目标

重力问题仍旧是太空 探索 任务的一个绊脚石。为了解决这个问题，YouTube用户smallstars提出了“重力链星际飞船”（GLS）设想。GLS是SpaceX“星际飞船”的变种，能够提供人造重力。SpaceX是否对这一设想感兴趣，现在还是一个未知数。也许，埃隆•马斯克和他的团队早已提出了他们自己的人造重力设想。

艺术概念图，SpaceX的“星际飞船”进入地球轨道

尽管在现实生活中我们面临很多问题和挑战，但这仍旧是一个令人兴奋的时代。现在，太空 探索 任务的规划人员和工程师正在研究各种设想。在不久的将来，这些设想将成为现实，让宇航员近50年来第一次飞出低地球轨道。除了重返月球，我们还将进一步 探索 火星以及太阳系内的其它遥远天体。

太空 探索 任务面临很多挑战，不仅仅是长时间暴露于辐射和微重力环境带来的不利影响。为了保护宇航员免遭辐射侵袭，科学家提出了很多可行方案。不过，重力问题仍是一个绊脚石。为了解决这个问题，YouTube用户smallstars提出了“重力链星际飞船”（GLS）设想。GLS是SpaceX“星际飞船”的变种，能够提供人造重力。

美国宇航局1969年提出的人造重力空间站设想。这个设计存在缺陷，因为宇航员会在重力和失重环境之间来回切换

GLS的部分灵感来自于科幻作品。在科幻作品中，星际飞船要么利用某种特殊装置产生重力，要么通过旋转的部分产生重力。前一种设想很像超光速引擎，利用完全虚构或者只在理论上可行的物理学；后一种设想则完全具有可行性。

人造重力的 历史 可追溯到一个世纪前，前苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857-1935）率先提出了这一概念。他是火箭学和航空学的奠基人之一。1903年，齐奥尔科夫斯基发表论文《外太空火箭装置研究》，提出利用旋转力在太空中产生人造重力。

一款空间站设计，与冯•布劳恩上世纪50年代提出的设计类似

在此之后，科学家又提出了很多人造重力空间站和太空栖息地设想，其中包括冯·布劳恩轮、奥尼尔圆筒和斯坦福环。某些设想甚至进入研究阶段，例如美国宇航局的鹦鹉螺-X空间站和门户基金会提议建造的旋转空间站。鹦鹉螺-X利用一个旋转的圆环产生人造重力。

在对向心力进行一些研究后，smallstars提出了GLS设想。他在一段视频中指出GLS基本上就是一个毂型飞船，就像是一个轮子的毂，有效载重舱被一个可以自动展开和部署的桁架充满，桁架起到“辐条”的作用。GLS将部署在两艘搭载宇航员的星际飞船之间，与它们“组团”完成6个月的火星之旅。

科学家提议打造人造重力版飞船，执行火星 探索 任务

一旦组队，客船将通过旋转重新定向，同时点燃助推器，为“轮子”提供动力。一旦产生足够的速度，模拟地球重力（1G），客船再次重新定向，向内旋转，面朝毂船。在余下的旅途中，由于“轮子”旋转产生的向心力，客船上的宇航员会被向下拉。

smallstars表示：“重力链星际飞船提供旋转重力，对主发动机进行再利用同时充分利用剩余燃料，避免了不切实际的太空建造和太空行走。GLS基本上就是一艘毂型飞船，就像是一个轮子的轮毂。有效载重舱并不搭载人员和货物，而是被一个可以自动展开和锁定的桁架充满。桁架起到了“辐条”的作用。”

艺术概念图，SpaceX的“星际飞船”矗立在月球上

现在，科学家对暴露于微重力环境所能产生的长期影响有着很深的认知，这主要感谢宇航员在国际空间站上进行的各种研究。微重力环境能够导致肌肉流失、骨密度下降、器官机能受损、视力损伤、心血管功能下降，甚至能够改变基因。

美国宇航员斯科特·凯利用亲身经历揭示了太空飞行的 健康 风险。作为美国宇航局双胞胎“天地实验”的一部分，他在国际空间站逗留了一年之久。回到地球后，他必须重新适应地球上的生活。整个过程让他非常痛苦。为了避免这些 健康 影响，科学家必须为宇航员制定行之有效的应对策略。

门户基金会提议建造的旋转空间站，借鉴了冯•布劳恩上世纪50年代的设计

未来，宇航员将重返月球，同时还会奔赴火星。火星的低重力环境将对宇航员的 健康 产生哪些长期影响，现在还是一个未知数。

为了确定GLS系统的细节，smallstars进行了一些必要的计算，以揭示模拟地球重力所需的桁架结构和所要达到的速度。借助SpinCalculator计算器，他发现一个直径100米的系统需要达到每秒31米的旋速（大约每分钟3圈），才能产生1G的重力。

美国宇航局1989年提出的旋转火星飞船，可产生人造重力

现在，smallstars正在研究GLS系统的第二代，包括关于旋速的最新计算结果和新的桁架外形，同时引入绳索，用以加强桁架的抗张强度。他计划在不久的将来公布第三版设计。这一版本将涵盖负载的相关计算结果以及展示部署过程和桁架功能的动画。

SpaceX是否对这一设想产生兴趣，现在还是一个未知数。也许，埃隆·马斯克和他的团队早已提出了他们自己的人造重力设想。如果是这样情况，究竟谁更胜一筹呢？让我们拭目以待。