失重是太空带给所有人的第一直观印象，因此在诸多太空科幻作品中都能看到人工重力这个概念，但由于艺术正确、拍摄方便优先而非科学正确优先的本质，这些影视作品在对科学幻想进行实景展示时，都做了不同程度的妥协。现在就让我们从科学的角度，当一回吹毛求疵的“死理性派”，来分析一下在大家熟知的几部太空科幻影视作品中，所展现的人工重力，究竟有几分科幻，几分现实。

首先需要说明：重力，或称引力，本质上并不是力。爱因斯坦的广义相对论已经证明，引力不过是由质量对时空造成的扭曲所表现出来的假象。

不过，从对人的影响和工程设计建造的级别来讲，称呼为“力”并无什么不妥。此外，之所以叫人工重力而不是人工引功则是为了体现其对人的重要性。众所周知，在地球上生活的一切生物无时无刻不在承受着大约9.8米/秒的加速度，也就是1个G（G=mg）的重力。在1个G重力环境下经过数千年进化而来的人类，身体已经非常依赖这个看似是负担的加速度。长时间的失重状态会导致我们骨质疏松变脆、肌肉萎缩变软，甚至由于没有重力帮助，身体无法判定上下左右，人类会失去空间感和方向感。注意这里说的是失重状态而不是失重。比如宇航员在国际空间站中所展现出来的“失重”，其实只是宇航员和空间站的无限自由落体导致的（这是重点，请注意），他们并没有真正脱离地球的引力，只是表现出了失重的状态。

太空科幻作品中的人工重力大致分为三种：先进科技式、旋转式和线性加速式。其实第一种的正确名称应为“魔法”重力，即以星球大战》《星际迷航》《宇宙战舰大和号》等为代表的，带有浓重玄幻色彩的人工重力。仔细看就会发现，上述三个作品中从未解释过飞船内部的1个G重力具体是如何产生的。为了让宇宙飞船能参考现代舰船的设计，“太空歌剧”类作品总设定人类在未来掌握了一种在飞船底部直.接实现人工重力的科技。显然，从科学角度讲这几乎是不可能的，且如果人类真的掌握了直接操纵重力的科技，那么就更有可能去建造利用重力推进的飞船或者重力武器，而不是只放在“飞船底部当作人工重力。总而言之，“太空歌剧”之所以叫“歌剧”是有根本性原因的，人工重力这第一关就过不了科学的审核。

在相对硬科幻的太空科幻作品中，旋转式人工重力十分常见。旋转式的原理是用通过旋转产生的向心加速度来模仿重力加速度，以此来实现人工重力。

在2015年上映的著名NASA宣传大片《火星救援》中，用于在地火之间往返的“赫耳墨斯”号飞船在船体中央设有一个旋转式的圆盘，圆盘边缘的4个居住模组中便有旋转式人工重力。略带弧形的居住模组内部构造在电影中有充分展示，可以看到在里面的宇航员和在地球上生活无异。

在2014年，上映的科幻大片《星际穿越》中，主角们乘坐的探險船“永恒”号更是直接通过旋转飞船整体来为处在飞船外围的居住模组提供人工重力。电影中详细展示了飞船内部从零重力逐渐到1个G重力的实现过程，甚至还展示了宇航员不适应旋转式重力而头晕的现象。这也就引出了作为“死理性派”对上述两个常人眼里已非常科学的科幻作品的质疑，旋转式重力固然符合物理理论，但电影中展示的比例是否科学呢？

a=w²r

通过以上公式可看出，向心加速度（a）是圆周半径（r）乘以角速度（w）的平方，也就是说，若要达到1g的向心加速度，要么增加圆周半径，要么增加旋转速度（转速增加则角速度增加）。而根据《火星救援》电影里的预估，人工重力模组的角速度大约为0.109弧度/秒，而根据演员凯特.玛拉的身高和电影中展示的她和整个旋转模组的比例，预估旋转模组半径大约为15米，可算出向心加速度仅0.178米/秒，也就是只有大约不到0.02个G的重力。毫无疑问，宇航员在这样的旋转模组中是不可能和地球上的感受及表现一样的。显然，在具体比例上，电影《火星救援》也走了“太空歌剧”作品艺术正确优先于科学正确的老路。

星际穿越》里的“永恒”号又如何呢？同样根据电影中展示的画面估算，“永恒”号的旋转速度大约为0.55弧度/秒，半径约为32米，因此可计算出“永恒”号内向心加速度为9.68米/秒，产生的重力已和1个G几乎无异。诺兰果然不负其一贯的严谨作风，在飞船的比例上也没有马虎，完全符合科学计算。一个充满虫洞、黑洞和高维空间的科幻片居然比一个火星种土豆的科幻片还要科学，让人倍感惊喜和意外。

那么，如果按照实际向心力计算，“赫耳墨斯”号应该是什么样子的呢？《火星救援》小说中有提到，飞船人工重力模组内实现的重力只有0.4个G，按照0.109弧度/秒的角速度计算，飞船的旋转模组半径需要整整329米。这是什么概念呢？我们来做个比较，目前全球最大的双弓I擎宽体客机波音777的翼展是61米，也就是说，‘赫耳墨斯”号的半径至少得是5架波音777的翼展长度。如此庞大的旋转机构估计几个IMAX电影屏幕都展示不下。而若维持15米的旋转半径，人工重力要达到0.4个G，则需要大约0.52弧度/秒的角速度，也就是4.96转/分（每分钟转速），这已经和“永恒”号非常接近了。但是，只符合物理理论就可以了吗？关于人类所能承受的最快转速是多少，科学界至今仍有争议，但一般认为长时间处在3转/分或转速更高的环境下，就会造成人体严重不适，4.96转/分的宇宙飞船毫无疑问是不可取的。真是可惜，《星际穿越》通过了物理学的科学考核，却没能通过生物学的科学考核。

真正符合所有科学理论的旋转式人工重力飞船是什么样子的呢？上图中展示的美剧《无垠太空》（或译为《苍穹浩瀚》）中小行星带联盟的旗舰“巨兽”号（Behemoth）便是很好的例子。“巨兽”号正如其名，是一艘巨舰，外观颇似一个巨大的圆柱体，通过半径450米的巨型旋转机构为舰内提供人工重力。按照剧中设定，“巨兽”号原名为Nauvoo，是一艘为了星际航行而设计的世代殖民宇宙飞船，为了在惯性漂流时提供重力，飞船中部可通过旋转来产生1g的向心加速度。按照450米的半径计算，“巨兽”号达到1个G的重力只需要维持0.148弧度/秒的角速度即可，也就是仅1.4转/分，完全在人类可接受范围之内。当然，为驱动庞大的旋转机构，“巨兽”号内有数个核反应堆提供动力，人员编制最少也有4000人，在《无垠太空》的世界观里可谓一朵奇葩。

值得一提的是，旋转式并不是“巨兽”号提供人工重力的唯一方式。事实上，在《无垠太空》的宇宙中，采用旋转式人工重力的舰船非常少见，反而是固定空间站和小行星殖民地上使用的更多。对所有军用和民用的宇宙飞船来说，线性加速才是最常采用的人工重力方式。

早在思考广义相对论的时候，爱因斯坦便提出：如果引力是作为人向地面施加的压力而存在，那么，当一个力可以把地面推向人并保持9.8米/秒的加速度，对于人来说，这个力的感觉便和引力一样了。换句话说，如果一艘飞船可以保持任意方向持续1g的加速度，那么飞船内的人便会感觉和在地球上一样。《无垠太空》中的飞船不管是布局还是构造，都像在底层安装了引擎的摩天大楼，而不像其他太空科幻影视作品中的飞船所参考的现代舰船。在这样的飞船中，船尾引擎对应的不是后而是下，船首对应的不是前而是上，每层甲板如楼层一般布置。因此，飞船在持续1g加速或者持续1g减速时，便能在内部产生线性加速度，进而形成人工重力。

值得一提的是，维持1g的加速度也是一种非常高效的太空飞行方式。以从地球去火星为例，现阶段的方法是在地火发射窗口期进入地火转移轨道，通过短时间的加速把飞行器提升到一定速度后依靠惯性飞抵火星，然后再利用火星引力和大气来完成减速，这样最短也需要半年时间才能抵达火星。如果采用维持1g加速度的方式，前半段航程加速，后半段航程掉头减速，则最短可在1.9天内到达火星。对，你没看错，尽管1g的加速度看似不多，但保持加速度便能如滚雪球一样为飞船带来极快的飞行速度，仅需1天又22个小时便可覆盖现在180余天才能覆盖的距离。

既然如此高效，为何现在没有飞船使用呢？原因在于要维持1g的加速度，就需要飞船引擎在有足够推力的同时还要有极高的燃料利用率，也就是常说的比冲。《无垠太空》中的飞船能保持以1g加速度飞行，是因为火星人所罗门·艾普斯丁（SolomonEpstein）发明了一种采用磁圈电离燃料推进的引擎，可以理解为现代离子推进器的超级升级版本。得益于“艾普斯丁引擎”高达110万秒的比冲，《无垠太空》中的舰船才能在线性加速度式人工重力的环境下短时间跨越太阳系。可以说，该剧中人类能对太阳系内各星体完成殖民，“艾普斯丁引擎”功不可没。当然，哪怕再符合科学，科幻也还是科幻，现在NASA所测试的持续工作时间最长（约12小时）的X3离子推进器的比冲仅为3100秒，和“艾普斯丁引擎”有著数个数量级的差距，推力更是完全没有可比性。

和旋转式人工重力相比，线性加速式人工重力的缺点在于飞船不能静止，但优点在于，由于不需要庞大的旋转机构，不管多大还是多小的飞船都可以采用这种方式。除此之外，线性加速还不会产生旋转式的副产品——科氏力。简而言之，科氏力是因为旋转的惯性，使物体原本的直线运动产生拐弯偏移，本质上其实也不是力。北半球台风逆时针旋转南半球台风顺时针旋转，便是地球自转产生的科氏力的结果。

我们在日常生活中对科氏力没有感受，是因为地球半径很大且自转速度仅为0.000696转/分，所以旋转所产生的科氏力很小，人体完全感受不到，只有在时空尺度非常大的人造物体上才有表现，比如长途飞机和洲际弹道导弹等。不过对旋转式人工重力而言则不同，由于旋转机构的角速度远高于地球，且旋转半径远小于地球，科氏力的影响会变得非常明显。这一点在《无垠太空》中，在位于小行星带的谷神星人工空间站上便有最直观的体现。

谷神星自身质量不大，引力微弱到可忽略不计，影片为了在谷神星空间站中制造人工重力，于是人为地加速了整个谷神星的自转，以达到0.3个G的重力水平。结果便如影片中所示，原本应垂直下落的威士忌“拐弯”落入了杯中，且从酒是向左倾斜还可看出谷神星空间站是逆时针旋转的。显然，对于习惯地球重力的人来说，谷神星空间站的生活会非常难受，刚刚到达时很容易产生头晕、呕吐等症状。这也是为何“巨兽”号有旋转式人工重力舱，却在绝大多数时候依然采用线性加速来提供人工重力的原因。这里不得不说，《无垠太空》是到目前为止，在多如牛毛的科幻片中唯一将人工重力以几乎完全符合科学的形式展现出来的作品。

何为科幻？科学幻想之所以有科学的前缀，正因为这不只是幻想，而是对未来可能性的一种推测。现在人们所熟知的火箭发射倒计时形式，其实就源自德国导演弗里茨·朗在1928年拍摄的科幻电影《月亮上的女好》（FrauimMond）。在这部电影中，为了能戏剧化地表现火箭发射，导演刻意让发射人员从10倒数到0，结果该设计受到以冯·布劳恩为首的德国火箭研究者们的喜爱。大喊出最后10秒倒计时，便以这样的方式成为火箭发射必不可少的一部分。

或许人们对太空科幻里人工重力的热爱，并不只是为了体会作品中天马行空的想象，更是期望科幻中所展示的未来有据可依，有朝一8能将幻想照进现实。

毕竟，从科幻到现实，总共只用了104年——法国科幻作家儒勒·凡尔纳的小说《从地球到月球》，成书于1865年，该书描绘了3名探险者乘坐超级大炮的炮弹前往月球探索的故事。限于当时的航天认识水平，书中的探月方案实际上是完全不可行的，但该书和实际的“阿波罗”登月计划相比，也有诸多的巧合，比如都是3人探月，出发点都为卡纳维拉尔角等。这本书出版104年后的1969年，人类真的踏，上了月球表面。此外，更有趣的是，该书于1903年发行了首个中译本，译者是鲁迅，中译本由日文版转译而成，当时的译名为《月界旅行》。