Pourquoi les astronautes sont-ils inaccessibles à la gravité artificielle?

Dans l'espace, bien que toutes les masses de l'Univers obéissent à la force de gravité, comme d'habitude, le «haut» et le «bas» ne sont pas ressentis, comme sur Terre, car le vaisseau spatial et tout ce qui se trouve à bord est accéléré par la gravité à la même vitesse.

Si vous placez une personne dans l'espace, loin des influences gravitationnelles qu'elle subit à la surface de la Terre, elle connaîtra l'apesanteur. Bien que toutes les masses de l'Univers continueront de l'attirer, elles continueront d'attirer le vaisseau spatial, donc une personne "nagera" à l'intérieur. Dans des séries et des films tels que Star Trek, Star Wars, Battle Cruiser Galaxy et bien d'autres, on nous montre toujours comment les membres d'équipage sont stables sur le plancher du navire, quelles que soient les autres conditions. Cela nécessiterait la possibilité de créer une gravité artificielle - mais compte tenu des lois de la physique sous la forme sous laquelle nous les connaissons aujourd'hui, c'est une tâche trop difficile.


Le capitaine Gabriel Lorca sur le pont de la découverte lors d'une simulation de la bataille avec les Klingons. Toute l'équipe est attirée «vers le bas» par la gravité artificielle - aujourd'hui la technologie de la science-fiction

Une leçon importante du principe d'équivalence est liée à la gravité: un système de référence à accélération uniforme ne se distingue pas du champ gravitationnel. Si vous êtes dans une fusée et que vous ne pouvez pas regarder dehors, vous n'aurez aucun moyen de comprendre ce qui se passe: la gravité vous pousse-t-elle ou l'accélération uniforme de la fusée dans une direction? Cette idée a conduit à la formulation de la théorie générale de la relativité et, après plus de cent ans, c'est la description la plus correcte de la gravité et de l'accélération que nous connaissions.


Le comportement identique d'une balle tombant au sol dans une fusée accélérée et sur Terre démontre le principe d'équivalence d'Einstein

Il y a une autre astuce que nous pourrions utiliser: faire tourner le vaisseau. Au lieu d'une accélération linéaire (puissance d'accélération d'une fusée), vous pouvez en obtenir une centrifuge dans laquelle une personne à bord ressentira comment elle est attirée par la coque du navire. Ceci est célèbre pour le film "2001: Space Odyssey", et cette force avec un navire suffisamment grand serait impossible à distinguer de la gravité.

Mais c’est tout. Trois types d'accélération - gravitationnelle, linéaire et rotationnelle - sont les seules forces à notre disposition qui exercent un effet gravitationnel. Et pour ceux à bord d'un vaisseau spatial, c'est un gros, gros problème.


Le concept de la station spatiale de 1969, qui devait être collectée en orbite à partir des étapes utilisées du programme Apollo. La station devait tourner autour d'un axe central et générer une gravité artificielle.

Pourquoi? Parce que pour voyager vers un autre système d'étoiles, vous devez accélérer le navire sur le chemin et ralentir à l'arrivée. Si vous ne pouvez pas vous défendre contre ces accélérations, un fiasco vous attend. Par exemple, pour accélérer à la "vitesse d'impulsion" du "Star Trek", à plusieurs pour cent de la vitesse de la lumière, il faudrait résister à une accélération de 4000 g pendant une heure. C'est 100 fois plus d'accélération, ce qui empêchera le flux sanguin dans votre corps - une situation très désagréable de toute façon.


Le lancement de la navette Columbia en 1992 montre que l'accélération de la fusée ne se produit pas instantanément, mais dure assez longtemps, plusieurs minutes. L’accélération du vaisseau spatial aurait dû être beaucoup plus grande que le corps humain ne peut supporter

De plus, si vous ne voulez pas être en apesanteur pendant un long voyage et subir des effets biologiques terribles tels que la perte de masse osseuse et la cécité cosmique, il est nécessaire qu'une force constante agisse sur votre corps. Pour des forces autres que la gravité, ce ne serait pas un problème. Par exemple, pour une exposition électromagnétique, il serait possible de placer la commande dans une coque conductrice et cela éliminerait tous les champs électromagnétiques externes. Et puis à l'intérieur il serait possible de disposer deux plaques parallèles et d'organiser un champ électrique constant qui ferait bouger les charges dans une certaine direction.

Oh, si la gravité fonctionnait de la même manière.


Diagramme schématique d'un condensateur, dont deux plaques conductrices parallèles ont la même amplitude et des charges de signe différentes, ce qui crée un champ électrique entre elles

Il n'y a pas de "conducteurs gravitationnels" et la gravité ne peut pas être protégée. Il est impossible de créer un champ gravitationnel uniforme entre les plaques dans une certaine zone de l'espace. La raison en est que, contrairement à l'électricité créée par les charges positives et négatives, la «charge» gravitationnelle est du même type, l'énergie de masse. La force de gravité est toujours attrayante et rien ne peut y être fait. Vous devrez faire tout votre possible avec les trois types d'accélération disponibles: gravitationnel, linéaire et rotationnel.


La grande majorité des quarks et leptons de l'Univers sont composés de matière, mais pour chacun d'eux il y a aussi des particules d'antimatière, dont les masses gravitationnelles ne sont pas déterminées

La seule façon de créer une gravité artificielle, qui peut vous protéger des effets de l'accélération du navire et vous donner une traction constante «vers le bas» sans accélération, ouvrirait un nouveau type de masse gravitationnelle négative. Toutes les particules et antiparticules découvertes par nous sont positives, mais ce sont des masses inertielles, c'est-à-dire des masses liées à l'accélération ou à la création de particules (c'est-à-dire qu'elles sont m des équations F = ma et E = mc ² ). Nous avons montré que les masses inertielles et gravitationnelles de toutes les particules connues coïncident, mais jusqu'à présent, nous n'avons pas effectué de contrôles suffisamment approfondis de l'antimatière et des antiparticules.


La collaboration ALPHA est plus proche que d'autres expériences pour mesurer le comportement de l'antimatière neutre dans un champ gravitationnel

Et des expériences sont en cours en ce moment! Dans l' expérience ALPHA au CERN, ils ont reçu de l'antihydrogène - une forme stable d'antimatière neutre - et travaillent maintenant à l'isoler de toutes les autres particules à basse vitesse. S'il s'avère suffisamment sensible, nous pouvons mesurer dans quelle direction l'antimatière se déplacera dans le champ gravitationnel. S'il tombe, comme d'habitude, sa masse gravitationnelle est supérieure à zéro et il ne peut pas être utilisé pour créer un conducteur gravitationnel. Mais si elle tombe, cela changera tout. Le seul résultat expérimental rendra soudain physiquement possible la gravité artificielle.


La capacité à obtenir la gravité artificielle est séduisante, mais elle nécessite l'existence d'une masse gravitationnelle négative. L'antimatière peut devenir une telle masse, mais cela n'est pas encore connu.

Si l'antimatière a une masse gravitationnelle négative, alors que le plafond de la pièce est fait d'antimatière et le sol de matière, nous pouvons créer un champ gravitationnel artificiel qui vous tire constamment «vers le bas». Après avoir construit la coque du navire à partir du conducteur gravitationnel, nous protégerons tout le monde à l'intérieur des forces d'une accélération ultra-élevée, qui serait sinon fatale. Et, mieux encore, les gens dans l'espace ne souffriront plus d'effets physiologiques négatifs, de perturbations de l'appareil vestibulaire ou d'atrophie du muscle cardiaque, qui affligent les astronautes modernes. Mais jusqu'à ce que nous découvrions une particule (ou un ensemble de particules) avec une masse gravitationnelle négative, la gravité artificielle ne peut être obtenue que par accélération.