Umieść osobę w kosmosie, z dala od grawitacyjnych wiązań powierzchni ziemi, a poczuje nieważkość. Chociaż wszystkie masy Wszechświata nadal będą na niego oddziaływać grawitacyjnie, przyciągną również każdy statek kosmiczny, w którym znajduje się dana osoba, więc będzie się unosić. A jednak w telewizji pokazano nam, że załoga pewnego statku kosmicznego z powodzeniem chodzi stopami po podłodze w każdych warunkach. W tym celu wykorzystuje się sztuczną grawitację, tworzoną przez instalacje na pokładzie fantastycznego statku. Jak blisko jest to do prawdziwej nauki?
Kapitan Gabriel Lorca na moście Discovery podczas symulowanej bitwy z Klingonami. Całą załogę przyciąga sztuczna grawitacja, a to jest niejako kanon
Jeśli chodzi o grawitację, wielkim odkryciem Einsteina była zasada równoważności: przy równomiernym przyspieszeniu układ odniesienia jest nie do odróżnienia od pola grawitacyjnego. Gdybyś był na rakiecie i nie mógł zobaczyć wszechświata przez okno, nie miałbyś pojęcia, co się dzieje: czy jesteś ściągany przez siłę grawitacji, czy też przyspieszenie rakiety odbywa się w określonym kierunku? To był pomysł, który doprowadził do ogólnej teorii względności. 100 lat później jest to najdokładniejszy opis grawitacji i przyspieszenia, jaki znamy.
Identyczne zachowanie piłki uderzającej o podłogę w locie rakiety (po lewej) i na Ziemi (po prawej) demonstruje zasadę równoważności Einsteina
Jest jeszcze jedna sztuczka, mówi Ethan Siegel, której możemy użyć, jeśli chcemy: możemy wprawić statek w obrót. Zamiast przyspieszenia liniowego (jak w przypadku pchnięcia rakiety), można uruchomić przyspieszenie dośrodkowe, tak aby osoba na pokładzie mogła poczuć, jak zewnętrzny kadłub statku kosmicznego popycha go w kierunku środka. To była sztuczka zastosowana w 2001 A Space Odyssey i gdyby twój statek kosmiczny był wystarczająco duży, sztuczna grawitacja byłaby nie do odróżnienia od prawdziwej grawitacji.
Tylko jeden ale. Te trzy rodzaje przyspieszenia - grawitacyjne, liniowe i obrotowe - są jedynymi, których możemy użyć do symulacji skutków grawitacji. To ogromny problem dla statku kosmicznego.
Koncepcja stacji z 1969 roku, która miała być zamontowana na orbicie ze zużytych faz programu Apollo. Stacja musiała obracać się wokół swojej centralnej osi, aby stworzyć sztuczną grawitację
Czemu? Ponieważ jeśli chcesz podróżować do innego systemu gwiezdnego, musisz przyspieszyć swój statek, aby się tam dostać, a następnie zwolnić po przybyciu. Jeśli nie potrafisz odizolować się od tych przyśpieszeń, czeka cię katastrofa. Na przykład, aby przyspieszyć do pełnego impulsu w Star Trek, do kilku procent prędkości światła, należałoby doświadczyć przyspieszenia 4000 g. Jest to 100 razy większe przyspieszenie, które zaczyna blokować przepływ krwi w organizmie.
Film promocyjny:
Wystrzelenie promu kosmicznego Columbia w 1992 r. Wykazało przyspieszenie w długim okresie. Przyspieszenie statku kosmicznego będzie wielokrotnie większe, a organizm ludzki nie będzie w stanie sobie z nim poradzić.
Jeśli nie chcesz być nieważki podczas długiej podróży - aby nie narażać się na potworne zużycie biologiczne, takie jak utrata masy mięśniowej i kostnej - ciało musi być nieustannie poddawane działaniu siły. W przypadku każdej innej siły jest to całkiem łatwe. Na przykład w elektromagnetyzmie można by umieścić załogę w przewodzącym kokpicie i wiele zewnętrznych pól elektrycznych po prostu zniknęłoby. Byłoby możliwe umieszczenie w środku dwóch równoległych płytek i uzyskanie stałego pola elektrycznego, popychającego ładunki w określonym kierunku.
Gdyby grawitacja działała w ten sam sposób.
Po prostu nie istnieje taka koncepcja, jak przewodnik grawitacyjny, a także zdolność do ochrony przed siłą grawitacji. Niemożliwe jest wytworzenie jednolitego pola grawitacyjnego w obszarze przestrzeni, na przykład między dwiema płytami. Czemu? Ponieważ w przeciwieństwie do siły elektrycznej generowanej przez ładunki dodatnie i ujemne, istnieje tylko jeden rodzaj ładunku grawitacyjnego, a jest nim energia masy. Siła grawitacji zawsze przyciąga i nie ma gdzie się przed nią ukryć. Możesz użyć tylko trzech rodzajów przyspieszenia - grawitacyjnego, liniowego i obrotowego.
Przytłaczająca większość kwarków i leptonów we Wszechświecie składa się z materii, ale każdy z nich ma również antymaterię, której masy grawitacyjne nie są określone.
Jedyny sposób, w jaki można by stworzyć sztuczną grawitację, który chroniłby cię przed skutkami przyspieszenia twojego statku i zapewniłby ci stały ciąg w dół bez przyspieszania, byłby dostępny, gdybyś odkrył cząstki o ujemnej masie grawitacyjnej. Wszystkie cząstki i antycząstki, które do tej pory odkryliśmy, mają masę dodatnią, ale masy te są inercyjne, to znaczy można je ocenić tylko wtedy, gdy cząstka jest tworzona lub przyspieszana. Masa bezwładnościowa i grawitacyjna są takie same dla wszystkich znanych nam cząstek, ale nigdy nie testowaliśmy naszego pomysłu na antymaterii lub antycząstkach.
Obecnie na tej części prowadzone są eksperymenty. Eksperyment ALPHA w CERN stworzył przeciwwodór: stabilną formę neutralnej antymaterii i pracuje nad izolacją jej od wszystkich innych cząstek. Jeśli eksperyment jest wystarczająco czuły, możemy zmierzyć, jak antycząstka uderza w pole grawitacyjne. Jeśli spadnie, jak zwykła materia, ma dodatnią masę grawitacyjną i może być użyty do zbudowania przewodnika grawitacyjnego. Jeśli spadnie w pole grawitacyjne, wszystko się zmieni. Jeden rezultat i nagle może stać się możliwa sztuczna grawitacja.
Możliwość uzyskania sztucznej grawitacji kusi nas niesamowicie, ale opiera się na istnieniu ujemnej masy grawitacyjnej. Antymateria może być tak masywna, ale jeszcze tego nie udowodniliśmy
Jeśli antymateria ma ujemną masę grawitacyjną, to tworząc pole zwykłej materii i sufit antymaterii, moglibyśmy stworzyć sztuczne pole grawitacyjne, które zawsze ściągałoby cię w dół. Tworząc przewodzącą grawitacyjnie powłokę w postaci kadłuba naszego statku kosmicznego, chronilibyśmy załogę przed ultraszybkimi siłami przyspieszenia, które w przeciwnym razie stałyby się śmiertelne. A co najważniejsze, ludzie w kosmosie nie odczuwaliby już negatywnych fizjologicznych skutków, które obecnie nękają astronautów. Ale dopóki nie znajdziemy cząstki o ujemnej masie grawitacyjnej, sztuczna grawitacja zostanie uzyskana tylko poprzez przyspieszenie.
Ilya Khel