無重力狀態下的那些事：生物超展開？慕斯更好吃？在地球又該如何模擬無重力呢？

2018/03/22 |

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當我們在看電影時，常常會見到角色英勇地飛向宇宙，當他們衝破大氣層的那一刻，就會突然「抽離身體放開自己」，漂浮在半空中。這時，我們就會知道「啊……他們進入無重力的狀態了」。

奇異博士就曾上演過這麼一段「抽離身體放開自己」。圖／《奇異博士》劇照@IMDb

不過，難道「無重力」就是這樣簡單？只要上了太空就可以隨意「漂向前方，別問我家鄉……」了嗎？

失重失重，進到太空就會失去體重？

為了解開這個謎題，讓我們先來看看「無重力」究竟是什麼意思：無重力就是「失重」（Weightlessness），如果單照字面上的意思來看，很容易會讓人家聯想到「失去重量」……等等，這是不是代表我一飛向宇宙就可以變成輕飄飄的小仙女了？

當然不是！我們在任何地方的質量都是不變的（胖子牽到太空還是胖子），只是在失重狀態下我們會「感覺不到自己的體重」。一般來說，當我們站在地面上時，地球用它的重力（也就是地心引力）拉著我們，給了我們一個向下的重力加速度，卻也同時提供了一個等同於我們體重的向上支撐力，好讓我們穩穩地站在地面上。而當這個支撐力發生變化時，我們所「感受到的重力」也會隨之產生變化，有時我們在電梯之中會感受到一瞬間的漂浮，正是由於這個原因。

說到了電梯，就讓我們來假設有座電梯以 9 m/s²的加速度向下運動，而當地的重力加速度是 10 m/s²。這時，人和電梯的相對加速度就是 1 m/s²，如此一來，人對電梯之間的壓力相當於人站在地面上的 1/10，就會開始產生了輕飄飄的感覺。而如果更進一步假設有座電梯以重力加速度 g 向下加速，人對電梯壓力就會等於零，這時，我們就可以電梯中漂浮起來啦！

等等，我們要飄起來了嗎～　圖／By Adam Kliczek [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia

所以說，失重的感覺其實是源自於人對支持物品的壓力變化。雖然我們在宇宙間仍然有受到重力，卻無法在茫茫宇宙間找到一個獨立的支持物，在這時，我們對於支持物的壓力小於自身所受到的重力，身體就會感受到無重力的假象。

無重力的世界，無奇不有

在無重力的世界裡，可以觀察到許多有趣的現象，比如說：所有的物品都會飄浮在空中，液體將成完全球型，而氣泡在液體中並不會上浮。想像一下，當你在太空中想要喝一罐可樂，卻看見它在半空中變成一顆咖啡色的球，而所有的泡泡都被包在球裡面，是不是突然就少了點平常的那種 fu？

液體在無重力下會成為完全球型。圖／ NASA @Wikimedia

而在無重力的狀態下，植物的生長方式也會和在地球時大不相同，美國俄亥俄州立大學（Ohio State University）的生物學教授 Fred Sack 分別於 1997 年和 2003 年時，在哥倫比亞太空梭（space shuttle Columbia）裡培養苔蘚類植物「角齒蘚」（Ceratodon purpureus）的原絲體（Protonema），結果發現：角齒蘚的原絲體在太空失重的黑暗環境中會逐漸形成順時針螺旋狀。

小立碗蘚（Physcomitrella patens）的原絲體。在地球上有光線有重力的環境下，苔蘚的原絲體會長成有綠色絲狀。圖／By Anja Martin, Labor Ralf Reski – Reski Lab, University of Freiburg, CC BY-SA 1.0

角齒蘚的原絲體在太空中（黑暗環境下）長成順時針螺旋狀；原始在地球環境下原絲體會呈顯逆重力、向光線的生長模式。圖／By Fred Sack @livescience

原絲體是苔蘚生命最早期的階段，在地球上時，它的成長會受到重力與光線的影響，在地表會呈現遠離地心、朝向光線的趨向生長。不過，太空中幾乎沒有重力的干擾，科學家又提供了完全黑暗的生長環境，最後便長成了上圖中螺旋狀散開的模樣。

櫻花是另一種在太空中生長的植物研究，延伸閱讀：太空櫻花，太空櫻花，長得快！長得快！

美好泡泡，盡在太空

無重力的研究也為我們帶來許多美好生活的可能，與我們最切身相關的，可能是它會讓咖啡更好喝（？）為了讓大家吃到更完美的食物，歐洲太空總署（ESA）微重力（microgravity）研究的重點研究項目之一，就是泡沫狀飲食和飲料中的科學。愛吃的人就知道，食品中的泡沫可是十分重要的，有些食品中的泡沫需要長時間存在，比如巧克力慕斯蛋糕，但你就不會想要在冰淇淋中吃到一堆泡泡。

不，他們研究的並不是這個泡泡。圖／《飛天小女警》劇照 @Wikimedia

不過，為什麼要特別在無重力的環境中鑽研泡泡呢？這是因為在地表上，比較大的氣泡會浮在較小的氣泡上，但在無重力狀態下，泡泡則會均勻散布，讓機構更能研究出符合商品需求的泡沫。

只是，這種泡沫研究可不簡單，食品公司必須使用 ESA 拋物線飛機飛行（parabolic flight），先讓飛機爬升、而後下降，在這個過程中，飛機就像是經歷了自由落體，會讓機內的人感受到大約 22 秒接近無重力的短暫瞬間。而在這短暫的時間內，研究者必須使用電磁動力活塞持續拍打液體以產生泡沫。費了如此大的功夫，科學家就得以在不增加原料的情形下製造出更加穩定的泡沫，以延長食品的效期。

在飛機由上升轉為下降的過程中，會短暫經歷 20 秒左右的類失重狀態。圖／ NASA @Wikimedia

「789 我們私奔到月球～」無重力真的能讓人談場無憂的戀愛嗎？

天啊，無重力的空間是如此讓人飄然欲仙，還能產生出美好綿密的泡泡，那我們還不趕快一起私奔到太空，來場電影般的史詩級戀愛？別傻了朋友，無重力的環境還真不是個適合談情說愛的地方。

「123 牽著手，456 抬起頭，789 我們私奔到月球。讓雙腳去騰空，讓我們去感受，那無憂的真空，那月色純真的感動~~」聽起來好浪漫！但想來場無重力戀愛可不是件易事。圖／geralt @Pixabay

為什麼這麼說呢？首先，有 45% 的人在剛剛進入太空的最初幾小時內會經歷「太空適應綜合症」（space adaptation syndrome，SAS），相關的症狀包含噁心、嘔吐、眩暈、頭痛、嗜睡和全身不適，別說接吻了，光是站穩都很不容易。

就你如果有幸能躲過這些症狀，能和情人纏纏綿綿的時間也不可能太長，因為人體的構造本是為了在地球上生存而演化的，在無重力的狀態下，我們的肌肉會萎縮（還好本來就沒有六塊肌），骨質也會因此惡化。此外，缺乏重力會使得心血管系統血流變慢、紅血球減少，甚至導致平衡失調和免疫系統變弱。

而最最最重要的是：在失重的狀態下，就連要繁衍個子孫都非常困難！

當我們享受在無重力那種讓人飄飄然的美好感覺中，心想著終於可以開始在太空中「創造宇宙繼起之生命」，抱歉，這時小兄弟可能會不太給力，因為無重力會讓它無法順利充血，而假使能藉著濃情蜜意順利完成，液體大概也無法好好地流向它該去的地方。所以說，如果想在無重力狀態下創造出太空公民，這挑戰的等級，實在是難上加難。

延伸閱讀：想在太空「造人」？只解決啪啪啪的問題可能還不夠······

不能私奔到太空，我們也能打造無重力小宇宙

好吧好吧，在太空談戀愛可能太過困難，但如果是想體驗看看漂浮在無重力的感覺，科學家們可是有很多辦法的。除了上面提過的拋物線飛機之外，NASA 更打造出了知名的「中性浮力實驗室」（The Neutral Buoyancy Laboratory，NBL），用以模擬外太空的無重力狀態。

大名鼎鼎的「中性浮力實驗室」（The Neutral Buoyancy Laboratory，NBL）。　圖／ivicon

NBL 就像一個巨大的深水游泳池，長 62 公尺、寬 31 公尺，深度則達 12.34 公尺，其中可容納多達 620 萬加侖的水。

在這個實驗室中，太空人會穿上特殊的裝備，並經由精密儀器的協助來進行中性懸浮（neutral-buoyancy diving），體會類似於失重的狀態。在訓練時，太空人會一邊呼吸高氧氣體（Nitrox），一邊完成指定動作。

太空人會全副武裝在 NBL 內進行訓練。圖／NASA ＠Wikimedia

為了好好完成太空任務，在中性浮力實驗室中的各項訓練至為關鍵，可說是上太空前最重要的一站，而為了使未來的太空人候選者們獲得見習的機會，「休士頓太空與科學教育協會」（Houston Association for Space and Science Education，HASSE）就特別打造了太空學校，讓學員們能夠好好參觀這個地表最大的類無重力實驗室。