अंतरिक्ष यात्रियों को कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण के लिए दुर्गम क्यों है?

अंतरिक्ष में, हालांकि ब्रह्मांड में सभी द्रव्यमान गुरुत्वाकर्षण बल का पालन करते हैं, हमेशा की तरह, पृथ्वी पर "शीर्ष" और "नीचे" महसूस नहीं किया जाता है, क्योंकि अंतरिक्ष यान और बोर्ड पर सब कुछ एक ही गति से गुरुत्वाकर्षण द्वारा त्वरित होता है।

यदि आप किसी व्यक्ति को पृथ्वी की सतह पर उसके द्वारा अनुभव किए गए गुरुत्वाकर्षण प्रभावों से दूर अंतरिक्ष में रखते हैं, तो वह भारहीनता का अनुभव करेगा। हालांकि ब्रह्मांड के सभी द्रव्यमान इसे आकर्षित करना जारी रखेंगे, वे अंतरिक्ष यान को आकर्षित करना जारी रखेंगे, इसलिए एक व्यक्ति अंदर "तैर" जाएगा। स्टार ट्रेक, स्टार वार्स, बैटल क्रूज़र गैलेक्सी और कई अन्य जैसे श्रृंखलाओं और फिल्मों में, हमें हमेशा दिखाया जाता है कि कैसे क्रू मेंबर्स अन्य स्थितियों की परवाह किए बिना जहाज के फर्श पर स्थिर खड़े होते हैं। इसके लिए कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण बनाने की संभावना की आवश्यकता होगी - लेकिन भौतिकी के नियमों को उस रूप में ध्यान में रखते हुए जिस रूप में हम उन्हें आज जानते हैं, यह बहुत मुश्किल काम है।


क्लिंगन के साथ लड़ाई के सिमुलेशन के दौरान डिस्कवरी ब्रिज पर कप्तान गेब्रियल लोरका। पूरी टीम कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण द्वारा "डाउन" की ओर आकर्षित होती है - आज विज्ञान कथा प्रौद्योगिकी

तुल्यता के सिद्धांत का एक महत्वपूर्ण सबक गुरुत्वाकर्षण के साथ जुड़ा हुआ है: एक समान रूप से त्वरित संदर्भ प्रणाली गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से अप्रभेद्य है। यदि आप एक रॉकेट में हैं और बाहर नहीं देख सकते हैं, तो आपके पास यह समझने का कोई तरीका नहीं होगा कि क्या हो रहा है: गुरुत्वाकर्षण आपको एक दिशा में रॉकेट के नीचे या समान त्वरण को धक्का दे रहा है? इस विचार के कारण सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का सूत्रपात हुआ, और, सौ से अधिक वर्षों के बाद, यह हमारे लिए ज्ञात गुरुत्वाकर्षण और त्वरण का सबसे सही वर्णन है।


एक त्वरित रॉकेट में और फर्श पर गिरने वाली गेंद का समान व्यवहार आइंस्टीन के तुल्यता के सिद्धांत को प्रदर्शित करता है

एक और चाल है जिसका हम उपयोग कर सकते हैं: जहाज को स्पिन करें। रैखिक त्वरण (रॉकेट की शक्ति में तेजी) के बजाय, आप एक केन्द्रापसारक एक प्राप्त कर सकते हैं जिसमें बोर्ड पर एक व्यक्ति महसूस करेगा कि वह जहाज के पतवार के लिए कैसे आकर्षित होता है। यह फिल्म "2001: स्पेस ओडिसी" के लिए प्रसिद्ध है, और पर्याप्त रूप से बड़े जहाज के साथ यह बल गुरुत्वाकर्षण के साथ अविभाज्य होगा।

लेकिन वह सब है। त्वरण के तीन प्रकार - गुरुत्वाकर्षण, रैखिक और घूर्णी - हमारे निपटान में एकमात्र बल हैं जो एक गुरुत्वाकर्षण प्रभाव डालते हैं। और एक अंतरिक्ष यान में सवार लोगों के लिए, यह एक बड़ी समस्या है।


1969 के अंतरिक्ष स्टेशन की अवधारणा, जिसे अपोलो कार्यक्रम के प्रयुक्त चरणों से कक्षा में एकत्र किया जाना था। स्टेशन को एक केंद्रीय अक्ष के चारों ओर घूमना और कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न करना था।

क्यों? क्योंकि किसी अन्य स्टार सिस्टम की यात्रा करने के लिए आपको वहाँ के रास्ते पर जहाज को गति देना होगा, और आने पर धीमा करना होगा। यदि आप इन त्वरितताओं से बचाव नहीं कर सकते हैं, तो एक फ़ायस्को आपकी प्रतीक्षा कर रही है। उदाहरण के लिए, "स्टार ट्रेक" की "आवेग गति" को तेज करने के लिए, प्रकाश की गति के कई प्रतिशत तक, एक घंटे के लिए 4000 ग्राम के त्वरण का सामना करना होगा। यह 100 गुना अधिक त्वरण है, जो आपके शरीर में रक्त के प्रवाह को रोक देगा - वैसे भी बहुत अप्रिय स्थिति।


1992 में कोलंबिया शटल के लॉन्च से पता चलता है कि रॉकेट का त्वरण तुरंत नहीं होता है, लेकिन बहुत लंबे समय तक रहता है, कई मिनट। अंतरिक्ष यान का त्वरण मानव शरीर की तुलना में बहुत अधिक होना चाहिए था

इसके अलावा, यदि आप लंबी यात्रा के दौरान भारहीन नहीं होना चाहते हैं, और भयानक जैविक प्रभाव से गुजरते हैं, जैसे कि हड्डी के द्रव्यमान और ब्रह्मांडीय अंधापन को कम करना, यह आवश्यक है कि आपके शरीर पर निरंतर बल कार्य करें। गुरुत्वाकर्षण के अलावा अन्य बलों के लिए, यह एक समस्या नहीं होगी। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक एक्सपोजर के लिए, कमांड को कंडक्टिव शेल में रखना संभव होगा और इससे सभी बाहरी इलेक्ट्रोमैग्नेटिक फील्ड खत्म हो जाएंगे। और फिर अंदर दो समानांतर प्लेटों की व्यवस्था करना और एक निरंतर विद्युत क्षेत्र को व्यवस्थित करना संभव होगा जो एक निश्चित दिशा में आवेशों को गति देगा।

ओह, अगर गुरुत्वाकर्षण ने उसी तरह काम किया।


संधारित्र के योजनाबद्ध आरेख, दो समानांतर प्रवाहकीय प्लेटें जिनमें समान परिमाण और अलग-अलग साइन चार्ज हैं, जो उनके बीच एक विद्युत क्षेत्र बनाता है

कोई "गुरुत्वाकर्षण कंडक्टर" नहीं हैं, और गुरुत्वाकर्षण को संरक्षित नहीं किया जा सकता है। अंतरिक्ष के एक निश्चित क्षेत्र में किसी भी प्लेट के बीच एक समान गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र बनाना असंभव है। कारण यह है कि सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज द्वारा बनाई गई बिजली के विपरीत, गुरुत्वाकर्षण "चार्ज" एक ही प्रकार, द्रव्यमान-ऊर्जा का है। गुरुत्वाकर्षण बल हमेशा आकर्षक होता है, और इसके बारे में कुछ भी नहीं किया जा सकता है। आपको उपलब्ध तीन प्रकार के त्वरण के साथ हर संभव प्रयास करना होगा - गुरुत्वाकर्षण, रैखिक और घूर्णी।


ब्रह्मांड के क्वार्क और लेप्टन का अधिकांश भाग पदार्थ से बना है, लेकिन उनमें से प्रत्येक के लिए एंटीमैटर के कण भी हैं, जिनका गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान निर्धारित नहीं होता है

कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण बनाने का एकमात्र तरीका, जो जहाज के त्वरण के प्रभाव से आपकी रक्षा कर सकता है और आपको त्वरण के बिना "नीचे" लगातार खींच सकता है, एक नए प्रकार के नकारात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान को खोल देगा। हमारे द्वारा खोजे गए सभी कण और एंटीपार्टिकल सकारात्मक हैं, लेकिन वे जड़ता वाले द्रव्यमान हैं, अर्थात् कण त्वरण या निर्माण से संबंधित द्रव्यमान हैं (अर्थात, ये समीकरण F = ma और E = mc ^{2 से हैं} )। हमने दिखाया कि सभी ज्ञात कणों के लिए जड़त्वीय और गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान संयोग करते हैं, लेकिन अभी तक एंटीमैटर और एंटीपार्टिकल्स के लिए पर्याप्त रूप से पूरी तरह से जांच नहीं की गई है।


एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में तटस्थ एंटीमैटर के व्यवहार को मापने के लिए अन्य प्रयोगों की तुलना में अल्फा सहयोग निकट है

और अभी प्रयोग चल रहे हैं! सर्न में अल्फा प्रयोग में, उन्हें एंटीहाइड्रोजेन मिला - तटस्थ एंटीमैटर का एक स्थिर रूप - और अब इसे कम गति पर अन्य सभी कणों से अलग करने पर काम कर रहे हैं। यदि यह पर्याप्त संवेदनशील हो जाता है, तो हम माप सकते हैं कि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में एंटीमैटर किस दिशा में बढ़ेगा। यदि यह सामान्य रूप से नीचे गिरेगा, तो इसका गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान शून्य से अधिक होगा, और इसका उपयोग गुरुत्वाकर्षण संवाहक बनाने के लिए नहीं किया जा सकता है। लेकिन अगर वह गिर जाती है, तो यह सब कुछ बदल देगा। एकमात्र प्रयोगात्मक परिणाम अचानक कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण को शारीरिक रूप से संभव बना देगा।


कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण प्राप्त करने की क्षमता मोहक है, लेकिन इसके लिए एक नकारात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान के अस्तित्व की आवश्यकता होती है। एंटीमैटर ऐसा द्रव्यमान बन सकता है, लेकिन यह अभी भी अज्ञात है।

यदि एंटीमैटर में एक नकारात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान है, तो एंटीमैटर से कमरे की छत और फर्श को पदार्थ से बाहर करते हुए, हम एक कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र बना सकते हैं जो आपको लगातार "नीचे" खींचता है। गुरुत्वाकर्षण कंडक्टर से जहाज के खोल का निर्माण करने के बाद, हम इसके अंदर हर किसी को अल्ट्राहाई त्वरण की ताकतों से बचाएंगे, जो अन्यथा घातक होगा। और, सबसे अच्छा, अंतरिक्ष में लोग अब नकारात्मक शारीरिक प्रभाव से ग्रस्त नहीं होंगे, वेस्टिबुलर उपकरण में गड़बड़ी से लेकर हृदय की मांसपेशियों के शोष तक, जो आधुनिक अंतरिक्ष यात्रियों को परेशान करते हैं। लेकिन जब तक हम एक नकारात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान के साथ एक कण (या कणों का एक सेट) की खोज करते हैं, कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण केवल त्वरण के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।