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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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不是2001年的“今天”，也不是20年后的今天。2005年，ISS的美国部分被指定为国家实验室，正是这种思想的反映。将该舱段指定为国家实验室的目的，包括推进STEM[6] 教育，与私人机构合作进行微重力环境实验。近年来，出于送人上月球或火星的压力，NASA改变了对ISS的态度，更多地从人类健康的角度看问题。最近的舆论导向是：ISS通过研究如何对抗微重力对人体的不良影响，有助于我们把宇航员送到这些目的地。ISS每年的运营成本高达数十亿美元，如果仅仅是研究蛋白质晶体的话，这笔开销就太大了。目前只进行了微重力方面的研究，关于月球或火星的部分重力环境对人类的影响仍缺乏研究。
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一种想法是仅在ISS上增加一个舱，它可以旋转并产生自己的人造重力，而不干扰ISS的其他部分。日本宇宙开发事业团（National Space Development Agency of Japan，NSDA）建造了一个4.5米宽的旋转圆柱体，名为离心住宿舱（Centrifuge Accommodations Module，CAM），能够为小型动物和植物提供各种水平的人造重力。原计划安装在ISS的“和谐号”节点舱（Harmony module）上，但由于ISS成本超支，该项目于2004年被取消。离心住宿舱现在陈列在东京以北大约1小 时车程的筑波航天中心的一个停车场里。一朝被蛇咬，十年怕井绳。日本后来为ISS上的日本“希望号”实验舱建造并发射了一台规模小得多的离心机，名字叫作多种人造重力研究系统（Multiple Artificial-gravity Research System，MARS），以免再被NASA的取消办公室取消。人们将小鼠暴露于0G或1G环境下共35天。1G离心机里的小鼠，其骨密度和肌肉重量与地面对照实验小鼠的相同，证明了旋转栖息地的设想可行。[7] 这是小鼠的一小步，人类的一大步。
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俄罗斯联邦航天局要对这一设想加以扩展。俄罗斯工程师正在设计一种充气式可旋转太空舱，将于2025年之前连接到ISS的俄罗斯舱段“星辰号”服务舱（Zvezda）上。目前的计划还很粗略。所以，没什么可报道的。总部位于美国的毕格罗空间系统公司（Bigelow Space Systems）也计划建造自己的可充气、可旋转的太空舱（详见第3章）。
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有趣的是，NASA所有在轨太空栖息地的原始计划都要求旋转和人造重力。但这些栖息地从未投入建设，因为用1970年左右的技术建造它们太昂贵了。天空实验室（Skylab）是NASA首次尝试在轨道上建造的栖息地。天空实验室有一个圆形空间，宇航员可以在里面绕着圈跑步，体验0.5G的重力。到20世纪80年代，在太空中建造大型设施具备了可行性，NASA却放弃了人造重力路线，刻意选择了微重力。时至今日，尽管人们知道微重力会使人体变得虚弱，但NASA似乎并不打算改变计划。
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尽管会增加火星任务的成本，但许多航天工程师都在倡导能提供0.5G以上重力的航天器。只有达到了这个重力，宇航员在火星表面走出航天器时才不会摔断腿。21世纪初提出的一种名叫“鹦鹉螺-X”（Nautilus-X）的任务航天器，把一个基本航天器与一台快速旋转的离心机结合起来，宇航 员可以在0.5G的环境中睡觉或休息，从而大大减少他们暴露在0G环境下的时间。但是NASA除了最初的图纸和建议，从未有其他进展。罗伯特·祖布林（Robert Zubrin）在他1996年出版的《赶往火星》（The Case for Mars ）一书中，提出了一个简单的、可自行翻转的空间系绳系统（详见第6章）。
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最后的结论是，长时间暴露在零重力环境下，不可能通过药物、加压护腿进行调节，唯一可行的解决方案是制造人造重力。NASA如此关注安全和健康，却几乎没有考虑过解决方案，真是太难理解了。
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