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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036953]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 重力问题
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让我们来探讨重力问题。如前所述，我们从ISS只学到了一样东西：生活在微重力环境下很糟糕。理想的健康状态需要重力，而长期处于零重力环境是非常危险的——这个观念从未得到充分验证。20世纪中叶一些科 幻小说作家推测，零重力将使人生机勃勃：血液更容易流动，关节炎将成为过去，背痛会被治愈，衰老本身也会减慢。所以，带着祖母一起去旅行吧。我们从早期的太空计划中得到的提示是，这样一个美好的前景是不真实的。宇航员从仅仅几天的失重状态中返回时，就会感到虚弱。但是他们恢复了过来，所以很多人觉得，哦，也许没那么糟。之后我们又花了更多的时间在太空。俄罗斯人在“和平号”空间站上待了几个月，回来后似乎出现了一些严重的、长期的健康问题。不过，俄罗斯人一直没有给出他们宇航员的健康数据，所以我们一直无法确切知道详情。这些被视作英雄的宇航员中，有许多人回来后很少公开露面。正是ISS任务让我们明白了这样的事实：长期处于零重力状态对人体健康有多方面的危害。这是NASA的功劳。
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在继续下面的内容之前，我应该先定义一些术语。零重力，尽管看起来很方便，但在近地空间范围内可能是一个不确切的表述。ISS上的宇航员并非生活在没有重力的环境中，他们一直处于自由落体的状态，但永远都坠落在地平线之上，与地球擦肩而过。ISS和其他卫星并不是因为逃脱了地球引力才飘浮在太空中；它们之所以能保持在那里，是因为它们有着惊人的水平速度。ISS以17500英里/小时（28163千米/小时）的速度运行。如果用什么办法让它完全停下来，那么它就会直接落到地球上，然后宇航员、飞船和其他一切都会掉下来。事实上，正是地球的引力使运行中的卫星保持在轨道上，地球的引力与卫星在发射期间所获得的横向运动力在向下运动中形成完全平衡的反作用力。如果没有地球的引力（假如地球突然神奇地消失了），卫星就会以直线发射出去。因此，要描述ISS上缺乏 重力的感觉，更准确的术语是微重力和失重。然而，即使这些术语也仍然是不完美、不准确的。ISS上的宇航员有重量，大约是地球上体重的90%，而地球与他们脚下的距离只有200英里。实际上他们在月球上会轻得多，只有地球上重量的16%。绝对零重力是不可能实现的，因为重力是任何两个物体之间的引力。但是在太空深处，远离任何卫星、行星或恒星的引力牵引时，重力则接近于零。在太空旅行方面，我会交替使用零重力、微重力和失重这三个术语。
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关于重力对人体的影响，我们的理解只有两个数据点：1和0。在地球上，我们的重力是1G。在ISS上，宇航员生活在0G环境中。对于两者之间的东西我们一无所知。空军飞行员使喷气式飞机加速，可以体验到5G或更大的力量，有时会导致他们昏厥。这是正常地球重力的5倍，可以将血液挤出大脑。但这种力通常只持续几秒钟，飞行员并不是生活在超重力环境中。不管怎样，我们不太关心大于1G的力，因为太阳系内我们想去的任何地方——L2轨道、月球、火星，等等——其重力都小于1G。
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1G有什么特别的？没什么特别，只不过它伴随了我们的演化过程。我们的骨头之所以有这样的厚度，就是因为有这样的重力水平。没有了无处不在的重力，没有它向细胞发出的持续信号，骨骼里的矿物质就会开始析出，骨骼就会变得脆弱。肌肉在收缩时也需要一定的抗力。如果没有重力，肌肉就会萎缩，失去弹性。你可以在太空中锻炼。ISS上的宇航员每天必须锻炼两 小时，为的是尽量减少骨质流失，尽量减少肌肉损失。这种方法有一定的作用。但不管怎样，在零重力状态下，骨骼密度下降的速率仍然超过每月1%，而地球上老年人的骨骼密度损失率为每年1%。通过一个事实就可以知道宇航员的骨质流失有多严重：在ISS上将尿液完全循环成饮用水的主要障碍是，过滤器每天都会被钙沉积堵塞。这些钙从骨骼渗出进入尿液，这种渗出也使得宇航员在短期内面临肾结石的风险，从长期看则面临肾病的风险。
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尽管宇航员在特制跑步机上进行了肌肉锻炼，但在太空中待几个月返回地球后，他们还是行走困难，甚至拿不动杯子。对于肌肉来说更为糟糕的是，大多数肌肉无法得到锻炼。锻炼集中在移动四肢和躯干的主要骨骼肌上。但是还有数以百计的其他肌肉，例如心肌、不随意肌、平滑肌以及其他骨骼肌，无法得到锻炼。对抗重力就是它们在地球上的锻炼方式，而在ISS上，它们得不到锻炼。脸上和手指上那些细小的肌肉都变得很弱。肌腱和韧带在零重力环境下也开始衰退。脊柱变长，宇航员在太空中的身高会增加1～2英寸，这会导致背部疼痛。由欧洲航天局运营的欧洲宇航员中心（European Astronaut Centre，EAC）太空医学办公室（Space Medicine Office，SMC）正在设计一种高科技“紧身衣”，来帮助宇航员在太空克服背部问题。这么说吧，这套服装非常具有欧洲风格。
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在体内，更多的事情是在1G条件下的细胞层级上进行。正常情况下，由于重力作用，血液会在足部淤积。我们的循环系统经过演化，可以将血液向上推送到大脑，而大脑是一个相当重要的器官。在没有重力的情况下，循环系统就像间歇泉一样将血液向上推动，无拘无束，你的头部会感到 有节奏的冲击。你的心脏开始加速跳动，将血液输送到身体下部。你的身体开始认为有多余的血液，问：这些血液是从哪里来的？于是你的肾脏会超速运转，通过尿液排出多余的水分。结果你脱水了，你的血液开始变稠。这反过来又会触发身体停止制造红细胞，因此你会慢慢变得贫血、迟钝、呼吸急促、容易感染，等等。这是一个系统性的医学噩梦。
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眼睛特别容易受到这种不自然的液体晃动的影响。超过2/3的宇航员报告称，在轨道上待了几个月后出现视力下降。[1] 液体压力使眼球后部变平，视神经发炎，破坏脆弱的血管。NASA宇航员约翰·菲利普斯（John Phillips）是最早报告这一问题的人之一。随着时间一月一月地过去，望着窗外时，他觉得地球看上去越来越模糊。NASA在他返回地球时测了他的视力，发现他在轨道上待了6个月后，视力从20/20下降到20/100[2] 。这意味着，前往火星的宇航员需要携带各种度数的眼镜，以帮助他们克服渐进的、不可避免的以及永久性的视力下降。NASA认为视力问题在宇航员中期健康风险中排第一。
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像眼睛一样，整个大脑也漂浮在液体中。曾经对34名宇航员任务之前和任务之后的核磁共振图像进行研究，发现微重力导致的变化可能是永久性的：说到底，是因为他们的大脑向上移动时受到压迫，大脑的中央沟变窄。中央沟是大脑顶部皮层的沟，将大脑顶叶和额叶分开。这些是大脑中控制精细运动和高级执行功能的部分，在ISS上待的时间越长，大脑的这些变化就越严重。[3]
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我前面提到，NASA直到20世纪90年代末才开始关注太空生活的长期影响。NASA长期以来一直由 工程师和物理学家主导。几乎没有雇用多少医务人员，从事生物医学研究的就更少了。我们在第1章指出，NASA关注的医学问题主要限于太空旅行的心理学。因此，在1997年，随着ISS建设的加速推进，NASA决定将生物医学研究外包出去，并成立了美国国家太空生物医学研究所（National Space Biomedical Research Institute，NSBRI），这是一个由十几所大学的研究实验室组成的联合体。NSBRI立即对过去10年中参加过太空任务的近300名宇航员的健康状况进行了研究。果不其然，几乎所有人都因为执行任务而出现了健康问题，有些人比其他人更严重。
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我们能做些什么？在健康游戏中NASA完全是个新手，它仍然更多的是在进行测试而不是干预。例如，ISS上进行的液体转移研究（Fluid Shifts investigation）正在精确探究液体如何在眼睛内和眼睛周围流动。NASA称，这项研究可能会帮助地球上那些眼压增高、眼睛肿胀的人（NASA认为必须把这些研究成果带回地球，以证明ISS预算的合理性）。此外，功能性任务研究（Functional Task investigation）探究了太空对于平衡和执行能力的影响，精细运动技能研究（Fine Motor Skills investigation）调查了在失重状态下与计算机设备交互能力的变化。目前，这些研究主要是监测。关于如何使微重力环境变得更加宜居，他们几乎什么也没干，或者说什么也干不了。真正的干预措施仅限于严格的锻炼，服用减缓骨质流失的双磷酸盐类药物，使用抗液体流失的电解质包，以及给大腿穿上加压护腿来保持下肢的血液。
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零重力显然对健康有害。但一个非常重要的问题是，我们需要多少重力？进入太空60多年后，我们实际上对此一无所知，更令人费解的是，我们还没有对此进行过测试。
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想象一个坐标图，x 轴代表健康水平从差到好，y 轴代 表重力水平从0G到1G。我们有两个数据点：0和1。0（0G）表示对你的健康最有害，因此这个数据点位于图的底部，也就是x 轴和y 轴相交的地方。1G对健康有益，因此这个点在图的上部，位于数字1的上方。现在，你怎么把这两个点连接起来呢？是直线连接吗？在0.5G的时候，我们的健康状况刚好就在差与好的中间吗？0.9G基本上和1G一样好？还是更好？或者说，这两点之间是否有一条凹线将其连接起来？也许只有一点重力，如0.2G，就很好了？或者相反，连接的可能是一条凸线，0.5G、0.75G，甚至0.9G都不大好。这些问题很重要，因为月球以及木星、土星的各个卫星的重力大约是0.16G，火星的大约是0.38G。我们可以住在这些地方吗？对此，我们还不知道。
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重力水平从0G到1G与健康的关系
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我们有两个已知的数据点：0G（ISS的重力）对你的健康有害，1G（地球上的重力）对你的健康有益。但这两个点是怎么连接起来的呢？是直线连接（实线）吗？还是说有一条凹线（虚线）将两点连接起来？也许只有一点重力，如0.2G，就足够了。或者凸线（点划线），甚至0.9G也不能保证足够健康。甚至也有可能，0.5G对我们的健康更好，特别是对老年人（点线）。月球以及木星、土星的各种卫星的重力大约是0.16G。火星的重力大约是0.38G。我们可以住在这些地方吗？我们还不知道。
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我们不希望在太空中0G的地方定居，所以在我看来，正在ISS进行的关于微重力和健康的研究几乎毫无用处。我们得到的经验教训就是：要尽快摆脱零重力环境。可能会有一些工作需要在0G的环境中完成，比如太空旅游或建设。因此，ISS的研究最多可以指导我们确定暴露在0G环境中的限度，这个限度应当不会超过几个月。然而，与太空旅行中的心理负担或辐射问题相比，重力更为关键，它决定了我们能否移民太阳系。如果我们不能在0.38G（火星上的重力）的重力环境下生存繁衍，那么我们到邻近行星上定居的游戏也就结束了……除非你不切实际地期待未来会有人造子宫在离心机里不停地转动，或者用无限能量产生超密度物质添加到行星或月球的核心来增加其重力。下文将指出，辐射可以阻挡，心理上的困难可以 克服，但不可能以任何切实可行的方式增加行星引力。
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你可能会认为，美国、俄罗斯、中国或欧洲的航天机构已经测试了0.16G和0.38G对于健康的影响。在地球上，你不可能以任何长期、有效的方式做到这一点。没有抵消重力的机器，生活在水下与生活在重力降低环境不是一回事。为了测试更低的重力水平，我们需要在太空建造一个巨大的旋转轮，但不会比建造空间站更加复杂。离心力，或称自旋力，可以模拟重力。想象一个装了一半水的水桶。如果你把水桶转得足够快，就像风车一样一圈又一圈地转动，水就会保持在桶里，即使在你头顶上方也不用担心被水淋湿。当放慢旋转，水就会浇到你身上。但是如果保持一个稳定的速度，那么请看，人造重力就可以阻止水从桶里溢出。
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在太空中零重力环境下，同样的原理也适用。如果足够快地旋转你的栖息地，那么你感受到的那个把你固定在地板上的力就相当于重力的感觉。这方面的数学原理很简单。你所感知到的力——伪装成重力的离心力——与旋转速度以及旋转轴长度有关。换句话说，这个力的大小取决于它旋转的角速度及其圆形轨迹的长短。小的飞船需要快速旋转，转到令人眼花缭乱的程度。再想一下那桶水，或者在游乐园里乘坐的摇摆轮。你需要以相当快的速度旋转一个物体，才能制造出那种被锁在原地的感觉。但是如果你有一个甜甜圈形状的空心圆环，大小类似于足球场（大约ISS的大小），那么你就可以以每分钟4圈的转速产生类似于地球的重力。
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方程并不复杂：a =ω2r 。其中a 是线性加速度，在这里指你将拥有的重力水平，在地球上相当于9.8米/秒2 的加速度；ω （欧米伽）是角速度或转速；r 是半径。从中，你可以看到半径和转速的平方成反比。这个系统的美妙之处在于，你可以通过调整旋转栖息地的转速来精确模拟火星或月球的重力。你可以一年都把它设成0.38G，看看兔子或鲶鱼能否成功交配。如果可以，那么你就有了在火星上可以快速繁殖的蛋白质来源。当然，你也可以在这样的重力水平上仔细观察人类，看看我们是否也能生长和繁 殖。争论在于以多快的速度旋转人类才不会感到晕眩，似乎每分钟不能超过4圈。不过，速度越慢越好。
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那么，为什么我们还没有试验过人造重力呢？主要原因是，NASA将ISS视为微重力研究的太空实验室，而不是太空移民的踏脚石。[4] 有些事情对于微重力实验室来说很有吸引力。在微重力环境下，你可以完成一些有可能对人类健康很重要的任务，如更好地结晶某些蛋白质并研究其分子结构，这可能会产生新的药物，尽管ISS的研究至今还没有研发出实用药物。你也可以用独特的方式研究流体行为和材料科学；但同样，这些研究至今也没有产生任何商业价值。在组建ISS的过程中，我们毫无疑问学会了如何在太空工作，这对于更加宏大的太空建设项目来说是至关重要的一课。不过仅此而已。就算你全力查找，也不会从微重力研究中找到更多的好处。NASA鼓吹的有益于地球人类的所有好处或许有用，但实际上都是与微重力本身无关的副产品技术：更好的水/空气过滤技术、便携式超声设备、小型化技术，以及现在用于手术的精密机械臂。
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NASA对于ISS的最初设想，在2001年其网站上的一篇文章里说得很清楚（NASA网站上已经没有这篇文章了，但幸运的是，这篇文章保存在了互联网存档回溯机上）：
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我们目前并不寻求在太空中建设人造重力。NASA和其他机构更愿意在微重力或自由落体环境下工作。在此环境下可进行许多不同寻常的实验和流程。空间站是全球唯一的大型、长期、无重力科学实验室，可以开发神奇的新材料、新药物、新食品等。也许有一天人们可以在轨道上停留的时间更长，我们会考虑通过快速旋转空间站（或旋转其中一部分）来产生一些重力，帮助宇航员保持骨骼的强健，并解决长期失重带来的其他问题。但不是今天。 [5]
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