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无重力状态下的那些事:生物超展开?慕斯更好吃?在地球又该如何模拟无重力呢?

当我们在看电影时,常常会见到角色英勇地飞向宇宙,当他们冲破大气层的那一刻,就会突然「抽离身体放开自己」,漂浮在半空中。这时,我们就会知道「啊……他们进入无重力的状态了」。

奇异博士就曾上演过这么一段「抽离身体放开自己」。图/《奇异博士》剧照@ IMDb

不过,难道「无重力」就是这样简单?只要上了太空就可以随意「漂向前方,别问我家乡……」了吗?

失重失重,进到太空就会失去体重?

为了解开这个谜题,让我们先来看看「无重力」究竟是什么意思:无重力就是「失重」(Weightlessness),如果单照字面上的意思来看,很容易会让人家联想到「失去重量」……等等,这是不是代表我一飞向宇宙就可以变成轻飘飘的小仙女了?

当然不是!我们在任何地方的质量都是不变的(胖子牵到太空还是胖子),只是在失重状态下我们会「感觉不到自己的体重」。一般来说,当我们站在地面上时,地球用它的重力(也就是地心引力)拉着我们,给了我们一个向下的重力加速度,却也同时提供了一个等同于我们体重的向上支撑力,好让我们稳稳地站在地面上。而当这个支撑力发生变化时,我们所「感受到的重力」也会随之产生变化,有时我们在电梯之中会感受到一瞬间的漂浮,正是由于这个原因。

说到了电梯,就让我们来假设有座电梯以9 m/s 的加速度向下运动,而当地的重力加速度是10 m/s 2。这时,人和电梯的相对加速度就是1 m/s 2,如此一来,人对电梯之间的压力相当于人站在地面上的1/10,就会开始产生了轻飘飘的感觉。而如果更进一步假设有座电梯以重力加速度g向下加速,人对电梯压力就会等于零,这时,我们就可以电梯中漂浮起来啦!

等等,我们要飘起来了吗~图/By Adam Kliczek [ CC BY-SA 3.0 ] via Wikimedia

所以说,失重的感觉其实是源自于人对支持物品的压力变化。虽然我们在宇宙间仍然有受到重力,却无法在茫茫宇宙间找到一个独立的支持物,在这时,我们对于支持物的压力小于自身所受到的重力,身体就会感受到无重力的假象。

无重力的世界,无奇不有

在无重力的世界里,可以观察到许多有趣的现象,比如说:所有的物品都会飘浮在空中,液体将成完全球型,而气泡在液体中并不会上浮。想像一下,当你在太空中想要喝一罐可乐,却看见它在半空中变成一颗咖啡色的球,而所有的泡泡都被包在球里面,是不是突然就少了点平常的那种fu?

液体在无重力下会成为完全球型。图/ NASA @ Wikimedia

而在无重力的状态下,植物的生长方式也会和在地球时大不相同,美国俄亥俄州立大学(Ohio State University)的生物学教授Fred Sack分别于1997年和2003年时,在哥伦比亚太空梭( space shuttle Columbia)里培养苔藓类植物「角齿藓」(Ceratodon purpureus)的原丝体(Protonema),结果发现:角齿藓的原丝体在太空失重的黑暗环境中会逐渐形成顺时针螺旋状。

小立碗藓(Physcomitrella patens)的原丝体。在地球上有光线有重力的环境下,苔藓的原丝体会长成有绿色丝状。图/By Anja Martin, Labor Ralf Reski – Reski Lab, University of Freiburg, CC BY-SA 1.0

角齿藓的原丝体在太空中(黑暗环境下)长成顺时针螺旋状;原始在地球环境下原丝体会呈显逆重力、向光线的生长模式。图/By Fred Sack @ livescience

原丝体是苔藓生命最早期的阶段,在地球上时,它的成长会受到重力与光线的影响,在地表会呈现远离地心、朝向光线的趋向生长。不过,太空中几乎没有重力的干扰,科学家又提供了完全黑暗的生长环境,最后便长成了上图中螺旋状散开的模样。

  • 樱花是另一种在太空中生长的植物研究,延伸阅读:太空樱花,太空樱花,长得快!长得快!

美好泡泡,尽在太空

无重力的研究也为我们带来许多美好生活的可能,与我们最切身相关的,可能是它会让咖啡更好喝(?)为了让大家吃到更完美的食物,欧洲太空总署(ESA)微重力(microgravity)研究的重点研究项目之一,就是泡沫状饮食和饮料中的科学。爱吃的人就知道,食品中的泡沫可是十分重要的,有些食品中的泡沫需要长时间存在,比如巧克力慕斯蛋糕,但你就不会想要在冰淇淋中吃到一堆泡泡。

不,他们研究的并不是这个泡泡。图/《飞天小女警》剧照@ Wikimedia

不过,为什么要特别在无重力的环境中钻研泡泡呢?这是因为在地表上,比较大的气泡会浮在较小的气泡上,但在无重力状态下,泡泡则会均匀散布,让机构更能研究出符合商品需求的泡沫。

只是,这种泡沫研究可不简单,食品公司必须使用ESA 抛物线飞机飞行(parabolic flight),先让飞机爬升、而后下降,在这个过程中,飞机就像是经历了自由落体,会让机内的人感受到大约22 秒接近无重力的短暂瞬间。而在这短暂的时间内,研究者必须使用电磁动力活塞持续拍打液体以产生泡沫。费了如此大的功夫,科学家就得以在不增加原料的情形下制造出更加稳定的泡沫,以延长食品的效期。

在飞机由上升转为下降的过程中,会短暂经历20 秒左右的类失重状态。图/ NASA @ Wikimedia

「789 我们私奔到月球~」无重力真的能让人谈场无忧的恋爱吗?

天啊,无重力的空间是如此让人飘然欲仙,还能产生出美好绵密的泡泡,那我们还不赶快一起私奔到太空,来场电影般的史诗级恋爱?别傻了朋友,无重力的环境还真不是个适合谈情说爱的地方。

「123牵着手,456抬起头,789我们私奔到月球。让双脚去腾空,让我们去感受,那无忧的真空,那月色纯真的感动~~」听起来好浪漫!但想来场无重力恋爱可不是件易事。图/geralt @ Pixabay

为什么这么说呢?首先,有45%的人在刚刚进入太空的最初几小时内会经历「太空适应综合症」(space adaptation syndrome,SAS),相关的症状包含恶心、呕吐、眩晕、头痛、嗜睡和全身不适,别说接吻了,光是站稳都很不容易。

就你如果有幸能躲过这些症状,能和情人缠缠绵绵的时间也不可能太长,因为人体的构造本是为了在地球上生存而演化的,在无重力的状态下,我们的肌肉会萎缩(还好本来就没有六块肌),骨质也会因此恶化。此外,缺乏重力会使得心血管系统血流变慢、红血球减少,甚至导致平衡失调和免疫系统变弱。

而最最最重要的是:在失重的状态下,就连要繁衍个子孙都非常困难!

当我们享受在无重力那种让人飘飘然的美好感觉中,心想着终于可以开始在太空中「创造宇宙继起之生命」,抱歉,这时小兄弟可能会不太给力,因为无重力会让它无法顺利充血,而假使能借着浓情蜜意顺利完成,液体大概也无法好好地流向它该去的地方。所以说,如果想在无重力状态下创造出太空公民,这挑战的等级,实在是难上加难。

  • 延伸阅读:想在太空「造人」?只解决啪啪啪的问题可能还不够······

不能私奔到太空,我们也能打造无重力小宇宙

好吧好吧,在太空谈恋爱可能太过困难,但如果是想体验看看漂浮在无重力的感觉,科学家们可是有很多办法的。除了上面提过的抛物线飞机之外,NASA 更打造出了知名的「中性浮力实验室」(The Neutral Buoyancy Laboratory,NBL),用以模拟外太空的无重力状态。

大名鼎鼎的「中性浮力实验室」(The Neutral Buoyancy Laboratory ,NBL )。 图/ivicon

NBL 就像一个巨大的深水游泳池,长62 公尺、宽31 公尺,深度则达12.34 公尺,其中可容纳多达620 万加仑的水。

在这个实验室中,太空人会穿上特殊的装备,并经由精密仪器的协助来进行中性悬浮(neutral-buoyancy diving),体会类似于失重的状态。在训练时,太空人会一边呼吸高氧气体(Nitrox),一边完成指定动作。

太空人会全副武装在NBL 内进行训练。图/NASA @Wikimedia

为了好好完成太空任务,在中性浮力实验室中的各项训练至为关键,可说是上太空前最重要的一站,而为了使未来的太空人候选者们获得见习的机会,「休士顿太空与科学教育协会」(Houston Association for Space and Science Education,HASSE)就特别打造了太空学校,让学员们能够好好参观这个地表最大的类无重力实验室。

在太空学校的课程里,可以参观NBL ,近距离认识太空人的训练情形。图/ivicon

如果你想亲眼看看太空人的训练实况和他们在类无重力状态下的各种英姿,可别错过太空学校规划的精彩课程啦。

–3/24 (六)14:00 – 16:00泛科学院免费说明会由此去!—

至于真太空人到底在无重力状态下过着怎样的生活呢?也欢迎看这个特辑、一窥太空人的日常喔:真‧太空人的日常

参考资料

  • 〈Weightlessness〉,维基百科。
  • 〈Neutral Buoyancy Laboratory〉,维基百科。
  • Moss Grows Strangely in Space . livescience, 2005.02.01
  • 〈太空科技和巧克力慕斯蛋糕有啥关系?〉,《网路天文馆》,2012.07.17。
  • 〈抛物飞行与无重力状态──从〈OK GO!〉的MV说起〉,《每日一冷》,2017.05.08。
  • Kern, VD, Schwuchow, JM, Reed, DW, Nadeau, JA, Lucas, J., Skripnikov, A., & Sack, FD (2005). Gravitropic moss cells default to spiral growth on the clinostat and in microgravity during spaceflight. Planta , 221 (1), 149-157.

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