Por que os astronautas são inacessíveis à gravidade artificial?

No espaço, embora todas as massas do Universo obedeçam à força da gravidade, como de costume, o "topo" e o "fundo" não são sentidos, como na Terra, uma vez que a espaçonave e tudo a bordo são acelerados pela gravidade na mesma velocidade.

Se você colocar uma pessoa no espaço, longe das influências gravitacionais experimentadas por ela na superfície da Terra, ela experimentará falta de peso. Embora todas as massas do Universo continuem a atraí-lo, elas continuarão a atrair a nave espacial, de modo que uma pessoa "nade" por dentro. Em séries e filmes como Star Trek, Star Wars, Battle Cruiser Galaxy e muitos outros, sempre é mostrado como os membros da tripulação permanecem estáveis ​​no chão do navio, independentemente de outras condições. Isso exigiria a possibilidade de criar gravidade artificial - mas, considerando as leis da física na forma em que as conhecemos hoje, é uma tarefa muito difícil.


Capitão Gabriel Lorca na ponte da descoberta durante uma simulação da batalha com os klingons. Toda a equipe é atraída pela gravidade artificial - hoje a tecnologia de ficção científica

Uma lição importante do princípio da equivalência está relacionada à gravidade: um sistema de referência de aceleração uniforme é indistinguível do campo gravitacional. Se você estiver em um foguete e não puder olhar para fora, não terá como entender o que está acontecendo: a gravidade está empurrando você para baixo ou a aceleração uniforme do foguete em uma direção? Essa idéia levou à formulação da teoria geral da relatividade e, depois de mais de cem anos, essa é a descrição mais correta de gravidade e aceleração que conhecemos.


O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete em aceleração e na Terra demonstra o princípio de equivalência de Einstein

Há mais um truque que poderíamos usar: fazer o navio girar. Em vez da aceleração linear (poder de aceleração de um foguete), você pode obter um centrífugo no qual uma pessoa a bordo sentirá como é atraída pelo casco do navio. Isso é famoso pelo filme "2001: Odisseia no Espaço", e essa força com uma nave suficientemente grande seria indistinguível da gravidade.

Mas isso é tudo. Três tipos de aceleração - gravitacional, linear e rotacional - são as únicas forças à nossa disposição que exercem um efeito gravitacional. E para aqueles a bordo de uma nave espacial, este é um grande, grande problema.


O conceito da estação espacial de 1969, que deveria ser coletada em órbita a partir das etapas usadas do programa Apollo. A estação deveria girar em torno de um eixo central e gerar gravidade artificial.

Porque Como para viajar para outro sistema estelar, é preciso acelerar o navio no caminho para lá e diminuir a velocidade na chegada. Se você não pode se defender contra essas acelerações, um fiasco espera por você. Por exemplo, para acelerar para a "velocidade de impulso" de "Star Trek", para vários por cento da velocidade da luz, seria necessário suportar uma aceleração de 4000 g por uma hora. Isso é 100 vezes mais aceleração, o que impedirá o fluxo sanguíneo no seu corpo - uma situação muito desagradável.


O lançamento do ônibus espacial Columbia, em 1992, mostra que a aceleração do foguete não ocorre instantaneamente, mas dura muito tempo, muitos minutos. A aceleração da sonda deveria ter sido muito maior do que o corpo humano pode suportar

Além disso, se você não quiser ficar sem peso durante uma longa jornada e sofrer terríveis efeitos biológicos, como perda de massa óssea e cegueira cósmica, é necessário que a força constante atue em seu corpo. Para outras forças que não a gravidade, isso não seria um problema. Por exemplo, para exposição eletromagnética, seria possível colocar o comando em um invólucro condutor e isso eliminaria todos os campos eletromagnéticos externos. E então dentro seria possível organizar duas placas paralelas e organizar um campo elétrico constante que faria as cargas se moverem em uma determinada direção.

Oh, se a gravidade funcionasse da mesma maneira.


Diagrama esquemático de um capacitor, duas placas condutoras paralelas com a mesma magnitude e cargas de sinais diferentes, o que cria um campo elétrico entre elas

Não existem "condutores gravitacionais" e a gravidade não pode ser protegida. É impossível criar um campo gravitacional uniforme entre quaisquer placas em uma determinada área do espaço. A razão é que, em contraste com a eletricidade criada por cargas positivas e negativas, a "carga" gravitacional é do mesmo tipo, energia de massa. A força da gravidade é sempre atraente, e nada pode ser feito sobre isso. Você terá que fazer todo o possível com os três tipos disponíveis de aceleração - gravitacional, linear e rotacional.


A grande maioria dos quarks e leptons do Universo é composta de matéria, mas para cada um deles também existem partículas de antimatéria, cujas massas gravitacionais não são determinadas

A única maneira de criar gravidade artificial, que pode protegê-lo dos efeitos da aceleração do navio e dar-lhe um constante puxão para baixo sem aceleração, abriria um novo tipo de massa gravitacional negativa. Todas as partículas e antipartículas que descobrimos são positivas, mas são massas inerciais, isto é, massas relacionadas à aceleração ou criação de partículas (ou seja, são m das equações F = ma e E = mc ² ). Mostramos que as massas inerciais e gravitacionais para todas as partículas conhecidas coincidem, mas até agora não foram realizadas verificações suficientemente detalhadas para antimatéria e antipartículas.


A colaboração da ALPHA está mais próxima do que outras experiências em medir o comportamento da antimatéria neutra em um campo gravitacional

E experimentos estão em andamento agora! No experimento ALPHA do CERN, eles receberam anti-hidrogênio - uma forma estável de antimatéria neutra - e agora estão trabalhando para isolá-lo de todas as outras partículas em baixas velocidades. Se for sensível o suficiente, podemos medir em qual direção a antimatéria se moverá no campo gravitacional. Se cair, como sempre, sua massa gravitacional será maior que zero e não poderá ser usada para criar um condutor gravitacional. Mas se ela cair, tudo mudará. O único resultado experimental subitamente tornará a gravidade artificial fisicamente possível.


A capacidade de obter gravidade artificial é sedutora, mas requer a existência de uma massa gravitacional negativa. A antimatéria pode se tornar uma massa, mas isso ainda é desconhecido.

Se a antimatéria tiver uma massa gravitacional negativa, tornando o teto da sala fora da antimatéria e o chão sem matéria, podemos criar um campo gravitacional artificial que constantemente o puxa para baixo. Tendo construído a carcaça do navio a partir do condutor gravitacional, protegeremos todos os que estão dentro das forças de aceleração ultra-alta, que de outra forma seriam fatais. E, o melhor de tudo, as pessoas no espaço não sofrerão mais efeitos fisiológicos negativos, distúrbios no aparelho vestibular e atrofia do músculo cardíaco, que assolam os astronautas modernos. Mas até descobrirmos uma partícula (ou um conjunto de partículas) com uma massa gravitacional negativa, a gravidade artificial só pode ser obtida através da aceleração.