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——在環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，我國成功發射“神舟七號”載人航天飛船，第一次實現中國宇航員在太空活動。在劉伯明、景海鵬的協助和配合下，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(圖2)。

“天宮一號”是中國第一個目標飛行器，于2011年9月29日發射升空。同年11月1日，“神州八號”飛船也順利發射成功。緊接著，在2011年11月3日，“神州八號”飛船順利實現與“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所產生的有趣現象。

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生失重現象。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生失重現象。

所以，航天器內的失重現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，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，在這些發生了失重現象的尺度不大的空間內，物體為什么會出現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。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，向液態金屬中通入氣體，氣泡會均勻地分布在液態金屬內，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、化學工業、核工業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。

失重環境對人體健康的影響

你或許會覺得，在失重狀態下，宇航員在空間站內飄來飄去非常有趣。可你不知道的是，失重環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、排泄等功能的植物神經系統有密切關系。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，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，引發多種空間運動病。

據統計，近20年的載人航天史上，空間運動病頻繁發生。蘇聯“上升號”宇宙飛船上的航天員發病率約為60％，“禮炮號”空間站上的發病率為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，在科學技術上挑戰與機遇永遠并存，人類的航天事業也不會就此止步不前。

【責任編輯】趙菲