Как сделать гравитацию. Почему космонавтам недоступна искусственная гравитация? Теоретические модели искусственной гравитации
Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. Хотя все массы Вселенной все еще будут воздействовать на него гравитационно, они также будут притягивать и любой космический аппарат, в котором находится человек, поэтому он будет плавать. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж некоего космического судна вполне успешно ходит ногами по полу при любых условиях. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?
Капитан Габриэль Лорка на мостике «Дискавери» во время имитации битвы с клингонцами. Весь экипаж притягивается искусственной силой тяжести, и это как бы уже канон
Касательно гравитации, большим открытием Эйнштейна стал принцип эквивалентности: при равномерном ускорении система отсчета неотличима от гравитационного поля. Если бы вы были на ракете и не могли видеть Вселенную через иллюминатор, вы бы и понятия не имели о том, что происходит: вас тянет вниз сила гравитации или же ускорение ракеты в определенном направлении? Такой была идея, которая привела к общей теории относительности. Спустя 100 лет это самое правильное описание гравитации и ускорения, которое нам известно.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол в летящей ракете (слева) и на Земле (справа), демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть и другой трюк, как пишет Итан Зигель, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (вроде тяги ракеты) можно заставить работать центростремительное ускорение, чтобы человек на борту чувствовал внешний корпус космического корабля, подталкивающий его к центру. Такой прием был использован в «Космической одиссее 2001 года», и если бы ваш космический корабль был достаточно большим, искусственная сила тяжести была бы неотличима от настоящей.
Только вот одно но. Три этих типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное - единственные, которые мы можем использовать для имитации эффектов гравитации. И это огромная проблема для космического аппарата.
Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации
Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.
Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться
Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.
Если бы гравитация работала таким же образом.
Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.
Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.
В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.
Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. может быть такой массой, но мы пока этого не доказали
Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.
Искусственная гравитация давно была описана в фантастических романах и показана в фильмах вроде «Космической одиссеи 2001 года». Теоретически возможность создания искусственной не отрицается. Однако до проектов, которые можно было бы протестировать в условиях космических станций в ближайшее время, дело практически не доходило. Но совсем скоро все может измениться благодаря стараниям команды CU Boulder.
Зачем нужна искусственная гравитация
На самом деле тут все довольно просто и суть заключена в человеческой физиологии. Дело в том, что наши тела устроены таким образом, чтобы существовать, когда на все наши внутренние органы и костно-мышечный аппарат действует сила притяжения. В условиях космических станций этого воздействия, как вы понимаете, практически нет, что в перспективе чревато возникновением различных . И если мускулатуру и суставы можно поддерживать в тонусе, занимаясь на специальных тренажерах, то вот внутренние органы таким образом не «потренируешь».
При этом в ходе разработки инженеры столкнулись с весьма очевидной проблемой: при долгом вращении человека начинает тошнить. Можно ли избавиться от такого побочного эффекта? Как выяснилось, можно. Во время испытаний к 10 сеансу все испытуемые комфортно вращались в центрифуге, не испытывая никаких проблем. Скорость вращения при этом составляла 17 оборотов в минуту.
Почему нельзя использовать установку прямо сейчас
Прежде, чем приступать к полномасштабным испытаниям в космосе, ученым нужно ответить на ряд вопросов. А именно, надолго ли закрепляется эффект от обучения нахождению в центрифуге, не имеет ли такой подход отдаленных последствий для здоровья и, самое главное, как долго астронавту нужно принимать это «гравитационную ванну» для того, чтобы компенсировать все негативные последствия невесомости. Как только целесообразность и безопасность подхода, разработанного командой CU Boulder,
Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.
Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.
Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:
В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.
В космосе, хотя все массы во Вселенной подчиняются силе гравитации, как обычно, не ощущается «верха» и «низа», как на Земле, поскольку космический корабль и всё, что у него на борту, ускоряется гравитацией с одинаковой скоростью.
Если поместить человека в космос, подальше от гравитационных воздействий, испытываемых им на поверхности Земли, он испытает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек будет «плавать» внутри. В сериалах и фильмах типа «Звёздный путь», «Звёздные войны», «Боевой крейсер „Галактика“ и множестве других нам всегда показывают, как члены команды стабильно стоят на полу корабля вне зависимости от прочих условий. Это потребовало бы возможности создания искусственной гравитации – но с учётом законов физики в том виде, в котором мы их знаем сегодня, это слишком трудная задача.
Капитан Габриэль Лорка на мостике „Дискавери“ во время симуляции битвы с клингонами. Всю команду притягивает „вниз“ искусственная гравитация – на сегодня технология из области научной фантастики
С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля. Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.
Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.
Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию.
Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.
Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело
Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.
Эх, если бы гравитация работала так же.
Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле
Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься. Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.
Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc 2). Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.
Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле
И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород - стабильную форму нейтральной антиматерии - и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.
Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы. Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно.
Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.
Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж космического судна вполне успешно ходит ногами по полу. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?
Капитан Габриэль Лорка на мостике «Дискавери» во время имитации битвы с клингонцами. Весь экипаж притягивается искусственной силой тяжести, и это как бы уже канон.
Касательно гравитации. Большим открытием Эйнштейна стал принцип эквивалентности: при равномерном ускорении система отсчета неотличима от гравитационного поля. Если бы вы были на ракете и не могли видеть Вселенную через иллюминатор, вы бы и понятия не имели о том, что происходит: вас тянет вниз сила гравитации или же ускорение ракеты в определенном направлении? Такой была идея, которая привела к общей теории относительности. Спустя 100 лет это самое правильное описание гравитации и ускорения, которое нам известно.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол в летящей ракете (слева) и на Земле (справа), демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна.
Есть и другой трюк, как пишет Итан Зигель, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (вроде тяги ракеты) можно заставить работать центростремительное ускорение, чтобы человек на борту чувствовал внешний корпус космического корабля, подталкивающий его к центру. Такой прием был использован в «Космической одиссее 2001 года», и если бы ваш космический корабль был достаточно большим, искусственная сила тяжести была бы неотличима от настоящей.
Только вот одно но. Три этих типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное - единственные, которые мы можем использовать для имитации эффектов гравитации. И это огромная проблема для космического аппарата.
Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации.
Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.
Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться.
Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.
Если бы гравитация работала таким же образом.
Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.
Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены.
Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.
В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.
Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. Антиматерия может быть такой массой, но мы пока этого не доказали.
Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.