認識失重

劉大為 劉可晶

在理想的佛國極樂世界中有一種叫做飛天的神(圖1)，他們可以在空中自由自在地飄蕩。這在不少古代人所繪的壁畫中都可以見到。今天，太空對于人類來說已經從神話故事時代步入技術奇跡時代。古代壁畫中的飛天情景已被今人在技術上復現(xiàn)——在環(huán)繞地球運行的航天器內，航天員就如同飛天一般自由地飄蕩著。其實，在航天器內一切物品如果不固定在器壁上都將自由飄蕩，這種現(xiàn)象就是失重。

從航天器看失重

2003年10月15日，中國首次成功發(fā)射載人航天器“神舟五號”飛船，兩年后的2005年10月12日，我國又成功發(fā)射了“神舟六號”載人飛船。在這兩次載人飛行中，人們關注的焦點是從飛船內傳回的電視畫面，在“神舟五號”載人飛船內，航天員楊利偉把本子及其他物品放在空中，這些東西也就真的懸浮在空中。在“神舟六號”載人飛船內，人們看到，塊狀食品從航天員聶海勝手中的餐叉上離開后，聶海勝輕輕一推，食品在空中慢慢飄到航天員費俊龍那里，費俊龍一張嘴就吃到了那塊食品。人們還看到，費俊龍幾乎是飄著從返回艙進入軌道艙。

凡此種種，人們都用失重來描述。

2008年9月25日，我國成功發(fā)射“神舟七號”載人航天飛船，第一次實現(xiàn)中國宇航員在太空活動。在劉伯明、景海鵬的協(xié)助和配合下，宇航員翟志剛出艙活動。他手中揮動著一面小小的五星紅旗。在翟志剛揮動國旗時，細心的觀眾會看到與陸地上截然不同的一種情形，小國旗并不下垂。這也是一種失重的狀態(tài)(圖2)。

“天宮一號”是中國第一個目標飛行器，于2011年9月29日發(fā)射升空。同年11月1日，“神州八號”飛船也順利發(fā)射成功。緊接著，在2011年11月3日，“神州八號”飛船順利實現(xiàn)與“天宮一號”的對接。按照計劃，“神舟九號”、“神舟十號”飛船將在接下來的時間里內依次與“天宮一號”實現(xiàn)無人或有人的交會對接，并建立中國首個空間實驗室(圖3)。

到那時，我們會頻繁看到中國航天員從一個位置飄向另一個位置的情景，還會看到其他多種奇妙的由失重狀態(tài)所產生的有趣現(xiàn)象。

航天器內的失重與重力減小無關

雖然失重這一詞匯可以說是家喻戶曉，人們對失重這種現(xiàn)象卻存在著相當普遍的錯誤認知。不少人認為，航天器內的失重現(xiàn)象是由于航天器離地球很遠，地球對航天器內的人和物品的引力非常之小所致。

其實，這種看法是錯誤的。載人飛船所處的軌道高度相對于地面，物體所受重力的減少程度不過在5％左右，物體在月球表面所受重力相對于地球表面卻減少了5／6，但重力減小并不一定意味著肯定會發(fā)生失重現(xiàn)象。美國所進行的“阿波羅登月計劃”中，踏上月球的航天員在月球上并沒有感到失重，在航天員周圍也沒有發(fā)生失重現(xiàn)象。

所以，航天器內的失重現(xiàn)象并不是由于重力減小所引起的，而是由于在繞地運動中，航天器、航天員以及艙內各物品的運動速度相同，航天器對于航天員以及艙內各物品的運動不產生阻礙的緣故。

假想的自由下落電梯內的失重

在重力場中，如果一個物體的運動沒有受到其他物體的明顯阻礙，我們就說這個物體失重了。

為了更好地理解失重現(xiàn)象的產生，我們可以做這樣一個假想實驗：如果你所乘坐的電梯處于自由下落狀態(tài)，這時，電梯與你的運動完全相同，與電梯內的一切物品的運動也完全一致。此時，身處電梯中的你如果從口袋里拿出一塊糖，它不會落向電梯底部，而是會懸在空中。在你的觸碰下，這塊糖就會在電梯內做勻速直線運動直至碰到電梯內壁。在此之前，這塊糖的運動狀態(tài)不會有任何改變。身處電梯內的你也會感到自己完全失去了重量，如果輕輕蹬一下電梯底面，你也可以飄浮在電梯內，就如同航天員在航天器內自由飄浮一樣……

也許你會問，在航天器內、在自由下降的電梯內，在這些發(fā)生了失重現(xiàn)象的尺度不大的空間內，物體為什么會出現(xiàn)與地面不同的飄浮運動方式?

這是因為在上述空間內，物體運動遵循慣性定律——一個物體如果不受其他物體的作用力，將保持勻速直線或者靜止運動狀態(tài)。因此，在航天器內、在自由下降的電梯內，物體才會飄浮著。

根據(jù)廣義相對論，我們所乘坐的自由下降的電梯又被稱為愛因斯坦密封艙。愛因斯坦認為，慣性質量與重力質量等效，所以在此密封艙內，任何物體的引力與慣性力正好抵消，牛頓定律在此完全適用，任何力學實驗都不能使觀察者獲得任何證據(jù)來表明他所在的參考系正在加速地相對地球表面下落(圖4)。按照這樣的分析，自由下降的電梯理所當然是慣性系，并且是滿足狹義相對論的相對性原理的慣性系，即所有的物理規(guī)律在此都成立的參考系。

讓航天器為我所用

利用航天器內的失重條件，人們進行了大量非常有意義的科學實驗。其中一些實驗將極大改善我們的生活環(huán)境和未來。在此，僅就材料科學方面舉幾個例子。

玻璃纖維(一種很細的玻璃絲，直徑為幾十微米)是現(xiàn)代光纖通信的主要部件。在地面上，人們目前還不能制造出很長的玻璃纖維，這是因為還沒等到液態(tài)的玻璃絲凝固，玻璃絲就由于重力作用而被拉成一小段一小段的。而在太空艙內的失重條件下，人們甚至可以制造出幾百米長的玻璃纖維。

利用太空艙，人們可以制造出新型泡沫金屬。在失重條件下，向液態(tài)金屬中通入氣體，氣泡會均勻地分布在液態(tài)金屬內，待其凝固后就產生了泡沫金屬。這是一種輕得像軟木塞似的泡沫鋼，兼有金屬的硬度。用它做的構件(例如機翼)，既輕便又結實。

由于在失重條件下，混合物可以均勻混合在一起，人們可以利用混合物的這種特質制成地面上不能得到的特種合金。

電子工業(yè)、化學工業(yè)、核工業(yè)等部門對材料的純度要求很高，有時材料的純度要求為“6個9”甚至“8個9”，即99.9999％～99.999999％。在地面上冶煉金屬時，總會有一些容器上的微量元素摻入到被冶煉的金屬中。而在太空中的“懸浮冶煉”，是在失重條件下進行的，被冶煉的金屬懸浮在感應電爐內，或者懸浮在幾束激光束匯聚的微小空間內，不與容器接觸，消除了容器對材料的污染，進而可獲得純度極高的產品。

在地面上生產電子技術中所用的晶體時，由于受重力影響，晶體的生長受到限制，所以晶體的大小往往有限；在失重條件下，晶體的生長是均勻的，生產出來的晶體體積要大得多。

失重環(huán)境對人體健康的影響

你或許會覺得，在失重狀態(tài)下，宇航員在空間站內飄來飄去非常有趣?？赡悴恢赖氖?，失重環(huán)境對于航天員的身體健康是非常不利的。

在失重條件下，人體各部分特別是體內各臟器之間的相互作用力消失。在這種情況下，人的前庭器官中的耳石由于失重，不再與周圍的神經細胞接觸，進而向中樞神經傳輸信號，從而喪失定向功能。前庭器官與人體主管呼吸、消化、循環(huán)、排泄等功能的植物神經系統(tǒng)有密切關系。一旦前庭器官不起作用，身體各臟器之間正常的相互作用消失，就會引起航天員產生頭暈、惡心、嘔吐等癥狀。

失重還會導致宇航員的骨質損失。我們通常認為骨骼是剛性的、不變的，事實并非如此。骨骼也是一種組織，它們的新陳代謝活動繁忙，其形狀會因承受壓力的變化而改變。骨骼組織中既有破骨細胞，又有成骨細胞。成骨細胞不斷地貯藏磷酸鈣，而破骨細胞不斷地使之損耗。通常情況下，這兩種活動過程互相平衡。失重條件下，由于骨骼缺少壓力，導致對成骨細胞活動的刺激消失，但破骨細胞的活動還在繼續(xù)，因此，破骨與成骨之間的平衡被打破，骨骼被破壞得多，重建得少，導致骨骼物質流失，使骨骼變得脆弱。研究表明，太空人每個月會丟失1％～2％的骨骼重量。失重還會導致航天員肌肉松弛，免疫力下降和衰老程度加快，引發(fā)多種空間運動病。

據(jù)統(tǒng)計，近20年的載人航天史上，空間運動病頻繁發(fā)生。蘇聯(lián)“上升號”宇宙飛船上的航天員發(fā)病率約為60％，“禮炮號”空間站上的發(fā)病率為40％，美國“阿波羅”宇宙飛船上航天員的空間運動病的發(fā)病率約是37％，天空實驗室上為55.5％，航天飛機上為53％。這說明空間運動病是航天學領域亟待解決的問題。

綜上可知，失重環(huán)境既可以為我所用，造福我們的生活，也會對人體健康產生不小的危害。換句話說，在科學技術上挑戰(zhàn)與機遇永遠并存，人類的航天事業(yè)也不會就此止步不前。

【責任編輯】趙菲