本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
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正如老笑话所说，重力真是糟糕。
它把我们往下拉，拉扯我们疲惫的四肢，使我们双脚疲惫，使我们身体的某些部位下垂。但它也是我们长期健康的关键因素。过去 60 年来，环绕地球运行的宇航员和太空人发现，零重力或微重力对你来说真的不是很好。
人体是在弯曲的时空中进化而来的，物体在那里体验到接近均匀的每秒每秒 9.81 米的加速度。血液和体液也相应地被加压，动脉和静脉受到肌肉的挤压，以避免所有血液不方便地积聚在我们的脚部。眼球被张紧以保持光学上合适的形状。我们的微生物组也适应了具有明确上下方向的环境——尤其是在消化方面。
将我们中的一人置于零重力或微重力环境中，事情就会变得棘手。我们的心血管系统很快就会感到困惑，因此体液会积聚在它们通常不会积聚的地方——因此太空旅行者可能会出现面部浮肿的外观。眼睛必须适应不熟悉的力。更令人困惑的是，我们都是不同的，因此我们的生理变化可能会因个体而异。
长期缺乏重力甚至更严重。骨骼的生长和维持会受到损害，否则会用于骨骼的矿物质最终会堵塞我们的血浆，最终使我们面临患肾结石和其他疾病的风险。红细胞计数下降，免疫系统显示出受损的迹象。
因此，我们长期以来一直在思考如何减轻这些影响也就不足为奇了。一种方法是尝试在我们离开一颗美好的巨大行星的任何时候创造人造重力。
这些想法的一个非常早期的例子是在 1896 年，当时杰出的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基描述了在太空中使用旋转结构来利用离心“力”来模拟重力加速度。旋转物体，就像在操场上旋转装满水的水桶的实验一样，直到水留在底部，你就会在物体上产生稳定的加速度。
1968 年上映的标志性电影《2001：太空漫游》展示了旋转空间栖息地可能如何运作的最佳可视化效果之一（版权问题使此处难以复制，但下面来自 NASA 档案馆的图像在性质上非常接近）。
首次真正的人造重力实验发生在 1966 年 9 月，当时 NASA 的双子座 11 号任务（由皮特·康拉德和理查德·戈尔登驾驶）在近地轨道与阿金纳目标飞行器（一个 7,000 磅重的改装火箭级）交会。
他们的活动之一是在双子座舱和阿金纳之间连接一条 30 米（100 英尺）长的尼龙绳。最初的想法是，首先，通过将双子座“置于”阿金纳之上，绳索将通过该距离上的重力拉力的差异来保持拉紧（但这效果不太好），其次，这两艘飞船可以像一套“套索”一样相互移动——通过绳索连接在一起，并在双子座舱的“地板”方向产生人造重力。
您可以在此处观看结果，从大约 10 分 30 秒开始。尽管绳索和其他航天器问题中存在振荡，但在 20 分钟左右后，这些确实暂时稳定下来，并且在很短的时间内，在双子座舱中观察到了一丁点人造重力。重力有多大？大约 0.0005 克，转速为每分钟 0.15 转。稍后，绳索被释放。
目睹这一切有点令人伤脑筋。阅读正在发生的事情的细节更令人伤脑筋，你可以在这里阅读。
旋转栖息地中产生的加速度也带来了其他挑战，因为你的居住者不会保持静止不动。
当您站在旋转环境中的“地板”上时，您的头部始终更靠近旋转轴，这意味着您的头骨实际上比您的脚移动得更慢。当您弯腰捡东西或系鞋带时会发生什么？同样，当您尝试行走时会发生什么？在这些时刻，您的身体必须克服速度差，而您的内耳——及其充满液体的微小运动检测器——会感觉到一些非常奇怪的事情发生。
地球的质量半径足够大，以至于重力场中的梯度很浅，我们脚和头之间重力加速度的差异仅约为每秒每秒 0.000006 米，或约为 0.00006%（忽略行星自转的复杂性）。我们已经适应了这种微小的变化，并且没有注意到它。旋转航天器的情况不一定如此。
这还没完。横向运动怎么样？仅仅在旋转栖息地中转动你的头就涉及到改变你的哪些部位是切向或垂直于旋转方向的，这对你的内耳来说也同样可能是不愉快的。
多年来，人们已经考虑过许多这些问题，尽管大部分工作是在 1960 年代和 1970 年代完成的。西奥多·霍尔在他的 1990 年代的博士论文中进行了特别彻底的调查，并且许多材料都可以在网上找到——包括一个名为 SpinCalc 的便捷人造重力计算器！
结论是，你需要保持旋转环境相对于人体尺寸较大（100 米半径会很好），以最大限度地减少头部和脚部之间的绝对速度差异，并保持每分钟的转数相对较低（可能小于 3-4）。你还需要对其进行配置，使圆周运动的实际速度明显大于人类将要行走或跑步的典型速度。否则，如果你朝反旋转方向跑，你可能会抵消将你推到地板上的加速度！
底线是，正如双子座 11 号宇航员所体验到的那样，不仅建立人造重力系统有点工程挑战，而且调整事物以充分适应人类（或任何其他生物）可以应对的事情也是一个挑战。它不像只是旋转你的太空轮子那么简单...
*编者注：（2018 年 4 月 17 日）：此句在发布后经过编辑，以正确识别双子座 11 号飞行员理查德·戈尔登。
