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国际太空城市设计竞赛的评委希望你的学生团队能够设计出一个为居住者提供人工重力的太空城市。虽然有一些思想流派主张太空零重力居住，但基金会协会认为这是一个强烈的“生活质量”问题;任何不提供人工重力的太空城市设计提案，都需要有非常令人信服的论据，才能赢得评委的青睐。
然而，评委们会积极地考虑主张地球引力之外的方案。提案应该证明他们选择的人工重力加速度是合理的;评委最关心的是学生们考虑了他们的做任何设计决定时所带来的影响(例如，更小的加速度使更小的重量能够保持结构的完整性;更大的加速度可以增强居住者的健康和健康)。
评委们只知道在可预见的未来用技术制造人造重力的一种方法:定居点必须轮流。如果学生们提出任何其他提供重力的方案，他们必须提供令人信服的理由。评委们还熟悉一些研究，这些研究预测，如果受转速大于每分钟3转，居住者将会生病;他们会对每分钟一转或更低的转速看得最顺眼。
评委们还希望通过旋转来提供人工重力的太空城市在旋转的体积中有圆形的横截面。这张图(来自20世纪70年代中期的NASA研究)显示了旋转空间太空城市的建议配置。你的团队可以选择其中的一种，也可以选择几种的混合。非圆形设计需要非常有力的论证。
旋转产生的“重力”量是可以计算出来的，预计太空城市设计竞赛的提案将规定旋转速率和产生的人工重力的大小。其中包括一个演示这一计算的练习。
片外：人造重力的实现方式
在考虑实际的、貌似可行的太空飞行时，“人造重力”一直是最大的问题之一。当然，目前的系统仍存在大量问题，我们对人造引力的了解与《星际迷航》和《太空堡垒卡拉狄加》等未来派影片相去甚远。
因此，现在让我们更进一步，并研究一些物理学家，包括已知物理学和实验物理学来分析这个改善未来太空的技术。在地球上，物体的重力随着质量的增加而增加。不幸的是，当宇航员在宇宙飞船上时，质量上的差异不足以使飞船产生足够的重力来将宇航员保持在飞船上。
现代人造重力和原理
早在爱因斯坦的时代，他就提出了所谓的“等效原理”，其基本原理是，引力与在加速参考系中产生的拟力是无法区分的。这意味着我们不需要一个巨大的，行星大小的宇宙飞船，我们只需要有足够的加速度来模拟重力。
事实证明，加速度有三种主要类型：
线性加速度，就像开车一样。旋转（向心加速度），就像把一个有水的桶旋转。
part 02
在桶中旋转水是旋转加速度的一个很好的例子。重力，就像从帝国大厦上扔下一枚硬币。在这里，它由于重力而加速。对于人类来说，在地球上，我们受到的重力大为G。然而，空军飞行员经常会经历重力的剧烈变化。人类所能承受的最大重力是214G，这通常发生在赛车比赛中。
在“企业号”飞船上，一个人要承受大约4000G的重力。除非在遥远的将来，他们能够想出某种反向加速器来保护宇航员，否则这对任何人来说都不是可以接受的。现在我们已经排除了这种可能性，但这并不意味着没有任何方法可以获得稳定的人造引力。这方面最大的问题之一是资金。
在其他力的作用下，比如电磁力，你可以把所有的人放进一个导电胶囊里，然后屏蔽掉多余的电磁波。剩余的部分可以被控制在太空舱内，并在舱内推来推去，对宇航员来说是安全的。
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这张图代表了电容器内部的电场——保持一个相反的和相等的电荷——被安全地安排在两块板之间，使电容器内部的所有人都能安全居住。不幸的是，在已知的宇宙中没有负的引力质量，这使得确定如何逆转引力的影响变得更加困难。然而，从理论上讲，如果确实存在一种像“引力子”这样的粒子，那么就有可能存在另一种奇异粒子，或许被称为“反引力子”。到目前为止，还没有证据证明已知的宇宙中有引力子。
这是重力最大的问题——不像其他的力(比如电)，它有正负两个值——它只有一个，这就是它一直具有的吸引人的特性。这一切意味着，科学家们要么必须获得令人难以置信的理论知识，发现新的物理学，要么只能使用我们已知道的理论来解决问题。
其中考虑最多的一种人工重力加速度方法是旋转。通过让航天器快速旋转，理论上可以产生人造重力，保证航天器内的物质安全。
在这个图形中，提到了与图形中心和外部相关的加速度，其中变化的是与圆心相关的加速度(如图左侧所示)。在另一幅图中，当考虑到增加的速度时，通过使用相对于图形中心和图形外部的加速度，可以帮助确定整体的加速度是多少。事实证明，物理学家已经设计出了计算人造重力加速度的公式。在下面的公式中，我们假设宇宙飞船中有两个腔室，它们由一条长度为2R的隧道连接。这里，设v表示隧道的频率，t表示时间周期。
还记得我们之前讲过的向心加速度吗？它又回来了，当你试图解决它如何适应人造重力室的旋转时。
R为隧道长度的一半
在你得到公式的后半部分之前，加入ac=g，这有助于计算出实际的重力(这是你首先要确定的)。通过这种方式，你可以确定速度最终必须是什么，才能让宇航员感到舒适，也就是(上图)在离旋转轴10米远的地方，速度大约是每分钟9.5转。
这就是计算基本的旋转人工重力的方法，一开始看起来很简单，但从长远来看就没那么简单了。然而，这并不是说旋转的人造引力是唯一的选择：事实上，科学家们现在正在研究反物质或暗能量是否可以提供帮助，以了解是否可以以不同的方式支持人造引力。
反重力是可信的
所以我想这不是关于反重力的而是关于反物质和它在常规重力下的潜在应用。现在的科学讨论了两个非常大的概念围绕着质量的定义:
有一种是加速的。这可以在以撒的方程F = ma以及在爱因斯坦的方程E =mc²中看出。另一种是引力。这可以在牛顿方程F = GmM /r²中找到，该方程讨论了引力质量。然而，在研究反物质时，你必须质疑它与实际物质之间的相互作用。虽然有了反物质，我们已经能够创造和毁灭它，以及计算它与非引力的相互作用。然而，它在重力作用下的表现相对来说是不确定的，因为我们以前从未能够测试过。
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ALPHA-G生成器。它的工作原理是利用反质子和正电子，它们被迫以缓慢的速度相互作用，从而产生实验中使用的中性反氢。欧洲核子研究中心的阿尔法实验正在努力寻找对此的回应。这个实验的目的是分析中性反物质，并将它的反应应用于引力。直接引用ALPHA网站的结果：
反氢原子的重力质量是其惯性质量的110倍以上，或者说它向上下落时的重力质量是其惯性质量的65倍以上。
这是相当令人印象深刻的，但也未必是人们所期望的。然而，对于不同类型的物质，特别是不同种类的粒子，如果反物质被应用到普通的地球上会发生什么，这个问题仍然存在。我们离人工重力和反物质的答案还很远，但这是朝着正确方向迈出的一步。
还有最后一个想法可以一劳永逸地回答这些问题，那就是弦理论。
弦理论和量子引力
这是最后一个问题，随着我们从最合理到现在（现在）最不合理的方向努力，现在是时候分析量子引力及其背后的原理了。量子引力本质上是引力的分析，它是假定量子物理无限期地起作用时所采取的。众所周知，它存在于理论物理领域，这意味着大部分信息完全来自于纸上，通常有数学支持。
然而，由于量子引力理论是如此的真实，关于它是如何工作的并不只有一种理论，有很多：
半经典量子引力。这是在观察弯曲的背景时采用的（本质上是非米科夫斯基原理），尽管它并不是完全量子论，但在20世纪被广泛接受为经典电磁场的主要组成部分。它可以解释黑洞辐射，目前是我们拥有的最好的理论之一。
在这幅图中，场论的表示被表示出来，用e+和e-表示不同的粒子，它们结合在一起形成一个弦(y)和粒子(-q和q)弦理论。通过研究量子场论，物理学家们确定，当量子粒子达到一定的能量时，它们也会达到不同的振荡模式，这些振荡模式会影响基本弦的电荷。
在此图像中，显示了以环量子引力表示的自旋网络。在此，操作员量化所图示的能量频率。循环量子引力。这假定量子操作员的每个能量频率都被量化，而量子是光子。在讨论重力时，运算符表示空间的面积和体积。据此，大多数物理学家认为时空是普朗克尺度上的基本颗粒量子结构。这些当然不是所有的理论(还有很多)，但它们是在考虑量子引力时最突出的一些理论。然而，最终，我们仍然有更多可能的方法来确定人造重力，而量子重力似乎不是最好的开始方式，因为它是如此理论化。
这到底意味着什么呢？
尽管科学家们正在努力使人造引力变得更好，但仍有很多东西他们不知道，而且仍在试图了解。引力是已知宇宙中最神秘的力量之一，想要自然地对它进行分类需要一些时间。谁知道呢，也许过不了几个世纪，我们就能搞清楚如何制造人造引力了。综上所述：
在决定你需要多少人工引力来维持一个人的生命，以及决定你能在逻辑上创造多少人造引力方面，涉及到大量的物理学知识。重力是一种令人难以置信的、令人困惑的力，因为它没有反力，这使它更难以接受。可用的加速度有三种，但旋转加速度用得最多。可分析的潜在人造重力主要有旋转人造重力、反物质人造重力和弦论/量子重力。我们仍然有很多需要知道的，尽管我们正在努力，就成功的人造重力而言，我们还没有在太空中有任何东西。
