认识失重
在理想的佛国极乐世界中有一种叫做飞天的神(图1)，他们可以在空中自由自在地飘荡。这在不少古代人所绘的壁画中都可以见到。今天，太空对于人类来说已经从神话故事时代步入技术奇迹时代。古代壁画中的飞天情景已被今人在技术上复现——在环绕地球运行的航天器内，航天员就如同飞天一般自由地飘荡着。其实，在航天器内一切物品如果不固定在器壁上都将自由飘荡，这种现象就是失重。
从航天器看失重
2003年10月15日，中国首次成功发射载人航天器“神舟五号”飞船，两年后的2005年10月12日，我国又成功发射了“神舟六号”载人飞船。在这两次载人飞行中，人们关注的焦点是从飞船内传回的电视画面，在“神舟五号”载人飞船内，航天员杨利伟把本子及其他物品放在空中，这些东西也就真的悬浮在空中。在“神舟六号”载人飞船内，人们看到，块状食品从航天员聂海胜手中的餐叉上离开后，聂海胜轻轻一推，食品在空中慢慢飘到航天员费俊龙那里，费俊龙一张嘴就吃到了那块食品。人们还看到，费俊龙几乎是飘着从返回舱进入轨道舱。
, 百拇医药
凡此种种，人们都用失重来描述。
2008年9月25日，我国成功发射“神舟七号”载人航天飞船，第一次实现中国宇航员在太空活动。在刘伯明、景海鹏的协助和配合下，宇航员翟志刚出舱活动。他手中挥动着一面小小的五星红旗。在翟志刚挥动国旗时，细心的观众会看到与陆地上截然不同的一种情形，小国旗并不下垂。这也是一种失重的状态(图2)。
“天宫一号”是中国第一个目标飞行器，于2011年9月29日发射升空。同年11月1日，“神州八号”飞船也顺利发射成功。紧接着，在2011年11月3日，“神州八号”飞船顺利实现与“天宫一号”的对接。按照计划，“神舟九号”、“神舟十号”飞船将在接下来的时间里内依次与“天宫一号”实现无人或有人的交会对接，并建立中国首个空间实验室(图3)。
到那时，我们会频繁看到中国航天员从一个位置飘向另一个位置的情景，还会看到其他多种奇妙的由失重状态所产生的有趣现象。
, 百拇医药
航天器内的失重与重力减小无关
虽然失重这一词汇可以说是家喻户晓，人们对失重这种现象却存在着相当普遍的错误认知。不少人认为，航天器内的失重现象是由于航天器离地球很远，地球对航天器内的人和物品的引力非常之小所致。
其实，这种看法是错误的。载人飞船所处的轨道高度相对于地面，物体所受重力的减少程度不过在5%左右，物体在月球表面所受重力相对于地球表面却减少了5/6，但重力减小并不一定意味着肯定会发生失重现象。美国所进行的“阿波罗登月计划”中，踏上月球的航天员在月球上并没有感到失重，在航天员周围也没有发生失重现象。
所以，航天器内的失重现象并不是由于重力减小所引起的，而是由于在绕地运动中，航天器、航天员以及舱内各物品的运动速度相同，航天器对于航天员以及舱内各物品的运动不产生阻碍的缘故。
假想的自由下落电梯内的失重
, 百拇医药
在重力场中，如果一个物体的运动没有受到其他物体的明显阻碍，我们就说这个物体失重了。
为了更好地理解失重现象的产生，我们可以做这样一个假想实验：如果你所乘坐的电梯处于自由下落状态，这时，电梯与你的运动完全相同，与电梯内的一切物品的运动也完全一致。此时，身处电梯中的你如果从口袋里拿出一块糖，它不会落向电梯底部，而是会悬在空中。在你的触碰下，这块糖就会在电梯内做匀速直线运动直至碰到电梯内壁。在此之前，这块糖的运动状态不会有任何改变。身处电梯内的你也会感到自己完全失去了重量，如果轻轻蹬一下电梯底面，你也可以飘浮在电梯内，就如同航天员在航天器内自由飘浮一样……
也许你会问，在航天器内、在自由下降的电梯内，在这些发生了失重现象的尺度不大的空间内，物体为什么会出现与地面不同的飘浮运动方式?
这是因为在上述空间内，物体运动遵循惯性定律——一个物体如果不受其他物体的作用力，将保持匀速直线或者静止运动状态。因此，在航天器内、在自由下降的电梯内，物体才会飘浮着。
, 百拇医药
根据广义相对论，我们所乘坐的自由下降的电梯又被称为爱因斯坦密封舱。爱因斯坦认为，惯性质量与重力质量等效，所以在此密封舱内，任何物体的引力与惯性力正好抵消，牛顿定律在此完全适用，任何力学实验都不能使观察者获得任何证据来表明他所在的参考系正在加速地相对地球表面下落(图4)。按照这样的分析，自由下降的电梯理所当然是惯性系，并且是满足狭义相对论的相对性原理的惯性系，即所有的物理规律在此都成立的参考系。
让航天器为我所用
利用航天器内的失重条件，人们进行了大量非常有意义的科学实验。其中一些实验将极大改善我们的生活环境和未来。在此，仅就材料科学方面举几个例子。
玻璃纤维(一种很细的玻璃丝，直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件。在地面上，人们目前还不能制造出很长的玻璃纤维，这是因为还没等到液态的玻璃丝凝固，玻璃丝就由于重力作用而被拉成一小段一小段的。而在太空舱内的失重条件下，人们甚至可以制造出几百米长的玻璃纤维。
, 百拇医药
利用太空舱，人们可以制造出新型泡沫金属。在失重条件下，向液态金属中通入气体，气泡会均匀地分布在液态金属内，待其凝固后就产生了泡沫金属。这是一种轻得像软木塞似的泡沫钢，兼有金属的硬度。用它做的构件(例如机翼)，既轻便又结实。
由于在失重条件下，混合物可以均匀混合在一起，人们可以利用混合物的这种特质制成地面上不能得到的特种合金。
电子工业、化学工业、核工业等部门对材料的纯度要求很高，有时材料的纯度要求为“6个9”甚至“8个9”，即99.9999%～99.999999%。在地面上冶炼金属时，总会有一些容器上的微量元素掺入到被冶炼的金属中。而在太空中的“悬浮冶炼”，是在失重条件下进行的，被冶炼的金属悬浮在感应电炉内，或者悬浮在几束激光束汇聚的微小空间内，不与容器接触，消除了容器对材料的污染，进而可获得纯度极高的产品。
在地面上生产电子技术中所用的晶体时，由于受重力影响，晶体的生长受到限制，所以晶体的大小往往有限；在失重条件下，晶体的生长是均匀的，生产出来的晶体体积要大得多。
, 百拇医药
失重环境对人体健康的影响
你或许会觉得，在失重状态下，宇航员在空间站内飘来飘去非常有趣。可你不知道的是，失重环境对于航天员的身体健康是非常不利的。
在失重条件下，人体各部分特别是体内各脏器之间的相互作用力消失。在这种情况下，人的前庭器官中的耳石由于失重，不再与周围的神经细胞接触，进而向中枢神经传输信号，从而丧失定向功能。前庭器官与人体主管呼吸、消化、循环、排泄等功能的植物神经系统有密切关系。一旦前庭器官不起作用，身体各脏器之间正常的相互作用消失，就会引起航天员产生头晕、恶心、呕吐等症状。
失重还会导致宇航员的骨质损失。我们通常认为骨骼是刚性的、不变的，事实并非如此。骨骼也是一种组织，它们的新陈代谢活动繁忙，其形状会因承受压力的变化而改变。骨骼组织中既有破骨细胞，又有成骨细胞。成骨细胞不断地贮藏磷酸钙，而破骨细胞不断地使之损耗。通常情况下，这两种活动过程互相平衡。失重条件下，由于骨骼缺少压力，导致对成骨细胞活动的刺激消失，但破骨细胞的活动还在继续，因此，破骨与成骨之间的平衡被打破，骨骼被破坏得多，重建得少，导致骨骼物质流失，使骨骼变得脆弱。研究表明，太空人每个月会丢失1%～2%的骨骼重量。失重还会导致航天员肌肉松弛，免疫力下降和衰老程度加快，引发多种空间运动病。
据统计，近20年的载人航天史上，空间运动病频繁发生。苏联“上升号”宇宙飞船上的航天员发病率约为60%，“礼炮号”空间站上的发病率为40%，美国“阿波罗”宇宙飞船上航天员的空间运动病的发病率约是37%，天空实验室上为55.5%，航天飞机上为53%。这说明空间运动病是航天学领域亟待解决的问题。
综上可知，失重环境既可以为我所用，造福我们的生活，也会对人体健康产生不小的危害。换句话说，在科学技术上挑战与机遇永远并存，人类的航天事业也不会就此止步不前。
【责任编辑】赵菲, 百拇医药(刘大为 刘可晶)
从航天器看失重
2003年10月15日，中国首次成功发射载人航天器“神舟五号”飞船，两年后的2005年10月12日，我国又成功发射了“神舟六号”载人飞船。在这两次载人飞行中，人们关注的焦点是从飞船内传回的电视画面，在“神舟五号”载人飞船内，航天员杨利伟把本子及其他物品放在空中，这些东西也就真的悬浮在空中。在“神舟六号”载人飞船内，人们看到，块状食品从航天员聂海胜手中的餐叉上离开后，聂海胜轻轻一推，食品在空中慢慢飘到航天员费俊龙那里，费俊龙一张嘴就吃到了那块食品。人们还看到，费俊龙几乎是飘着从返回舱进入轨道舱。
, 百拇医药
凡此种种，人们都用失重来描述。
2008年9月25日，我国成功发射“神舟七号”载人航天飞船，第一次实现中国宇航员在太空活动。在刘伯明、景海鹏的协助和配合下，宇航员翟志刚出舱活动。他手中挥动着一面小小的五星红旗。在翟志刚挥动国旗时，细心的观众会看到与陆地上截然不同的一种情形，小国旗并不下垂。这也是一种失重的状态(图2)。
“天宫一号”是中国第一个目标飞行器，于2011年9月29日发射升空。同年11月1日，“神州八号”飞船也顺利发射成功。紧接着，在2011年11月3日，“神州八号”飞船顺利实现与“天宫一号”的对接。按照计划，“神舟九号”、“神舟十号”飞船将在接下来的时间里内依次与“天宫一号”实现无人或有人的交会对接，并建立中国首个空间实验室(图3)。
到那时，我们会频繁看到中国航天员从一个位置飘向另一个位置的情景，还会看到其他多种奇妙的由失重状态所产生的有趣现象。
, 百拇医药
航天器内的失重与重力减小无关
虽然失重这一词汇可以说是家喻户晓，人们对失重这种现象却存在着相当普遍的错误认知。不少人认为，航天器内的失重现象是由于航天器离地球很远，地球对航天器内的人和物品的引力非常之小所致。
其实，这种看法是错误的。载人飞船所处的轨道高度相对于地面，物体所受重力的减少程度不过在5%左右，物体在月球表面所受重力相对于地球表面却减少了5/6，但重力减小并不一定意味着肯定会发生失重现象。美国所进行的“阿波罗登月计划”中，踏上月球的航天员在月球上并没有感到失重，在航天员周围也没有发生失重现象。
所以，航天器内的失重现象并不是由于重力减小所引起的，而是由于在绕地运动中，航天器、航天员以及舱内各物品的运动速度相同，航天器对于航天员以及舱内各物品的运动不产生阻碍的缘故。
假想的自由下落电梯内的失重
, 百拇医药
在重力场中，如果一个物体的运动没有受到其他物体的明显阻碍，我们就说这个物体失重了。
为了更好地理解失重现象的产生，我们可以做这样一个假想实验：如果你所乘坐的电梯处于自由下落状态，这时，电梯与你的运动完全相同，与电梯内的一切物品的运动也完全一致。此时，身处电梯中的你如果从口袋里拿出一块糖，它不会落向电梯底部，而是会悬在空中。在你的触碰下，这块糖就会在电梯内做匀速直线运动直至碰到电梯内壁。在此之前，这块糖的运动状态不会有任何改变。身处电梯内的你也会感到自己完全失去了重量，如果轻轻蹬一下电梯底面，你也可以飘浮在电梯内，就如同航天员在航天器内自由飘浮一样……
也许你会问，在航天器内、在自由下降的电梯内，在这些发生了失重现象的尺度不大的空间内，物体为什么会出现与地面不同的飘浮运动方式?
这是因为在上述空间内，物体运动遵循惯性定律——一个物体如果不受其他物体的作用力，将保持匀速直线或者静止运动状态。因此，在航天器内、在自由下降的电梯内，物体才会飘浮着。
, 百拇医药
根据广义相对论，我们所乘坐的自由下降的电梯又被称为爱因斯坦密封舱。爱因斯坦认为，惯性质量与重力质量等效，所以在此密封舱内，任何物体的引力与惯性力正好抵消，牛顿定律在此完全适用，任何力学实验都不能使观察者获得任何证据来表明他所在的参考系正在加速地相对地球表面下落(图4)。按照这样的分析，自由下降的电梯理所当然是惯性系，并且是满足狭义相对论的相对性原理的惯性系，即所有的物理规律在此都成立的参考系。
让航天器为我所用
利用航天器内的失重条件，人们进行了大量非常有意义的科学实验。其中一些实验将极大改善我们的生活环境和未来。在此，仅就材料科学方面举几个例子。
玻璃纤维(一种很细的玻璃丝，直径为几十微米)是现代光纤通信的主要部件。在地面上，人们目前还不能制造出很长的玻璃纤维，这是因为还没等到液态的玻璃丝凝固，玻璃丝就由于重力作用而被拉成一小段一小段的。而在太空舱内的失重条件下，人们甚至可以制造出几百米长的玻璃纤维。
, 百拇医药
利用太空舱，人们可以制造出新型泡沫金属。在失重条件下，向液态金属中通入气体，气泡会均匀地分布在液态金属内，待其凝固后就产生了泡沫金属。这是一种轻得像软木塞似的泡沫钢，兼有金属的硬度。用它做的构件(例如机翼)，既轻便又结实。
由于在失重条件下，混合物可以均匀混合在一起，人们可以利用混合物的这种特质制成地面上不能得到的特种合金。
电子工业、化学工业、核工业等部门对材料的纯度要求很高，有时材料的纯度要求为“6个9”甚至“8个9”，即99.9999%～99.999999%。在地面上冶炼金属时，总会有一些容器上的微量元素掺入到被冶炼的金属中。而在太空中的“悬浮冶炼”，是在失重条件下进行的，被冶炼的金属悬浮在感应电炉内，或者悬浮在几束激光束汇聚的微小空间内，不与容器接触，消除了容器对材料的污染，进而可获得纯度极高的产品。
在地面上生产电子技术中所用的晶体时，由于受重力影响，晶体的生长受到限制，所以晶体的大小往往有限；在失重条件下，晶体的生长是均匀的，生产出来的晶体体积要大得多。
, 百拇医药
失重环境对人体健康的影响
你或许会觉得，在失重状态下，宇航员在空间站内飘来飘去非常有趣。可你不知道的是，失重环境对于航天员的身体健康是非常不利的。
在失重条件下，人体各部分特别是体内各脏器之间的相互作用力消失。在这种情况下，人的前庭器官中的耳石由于失重，不再与周围的神经细胞接触，进而向中枢神经传输信号，从而丧失定向功能。前庭器官与人体主管呼吸、消化、循环、排泄等功能的植物神经系统有密切关系。一旦前庭器官不起作用，身体各脏器之间正常的相互作用消失，就会引起航天员产生头晕、恶心、呕吐等症状。
失重还会导致宇航员的骨质损失。我们通常认为骨骼是刚性的、不变的，事实并非如此。骨骼也是一种组织，它们的新陈代谢活动繁忙，其形状会因承受压力的变化而改变。骨骼组织中既有破骨细胞，又有成骨细胞。成骨细胞不断地贮藏磷酸钙，而破骨细胞不断地使之损耗。通常情况下，这两种活动过程互相平衡。失重条件下，由于骨骼缺少压力，导致对成骨细胞活动的刺激消失，但破骨细胞的活动还在继续，因此，破骨与成骨之间的平衡被打破，骨骼被破坏得多，重建得少，导致骨骼物质流失，使骨骼变得脆弱。研究表明，太空人每个月会丢失1%～2%的骨骼重量。失重还会导致航天员肌肉松弛，免疫力下降和衰老程度加快，引发多种空间运动病。
据统计，近20年的载人航天史上，空间运动病频繁发生。苏联“上升号”宇宙飞船上的航天员发病率约为60%，“礼炮号”空间站上的发病率为40%，美国“阿波罗”宇宙飞船上航天员的空间运动病的发病率约是37%，天空实验室上为55.5%，航天飞机上为53%。这说明空间运动病是航天学领域亟待解决的问题。
综上可知，失重环境既可以为我所用，造福我们的生活，也会对人体健康产生不小的危害。换句话说，在科学技术上挑战与机遇永远并存，人类的航天事业也不会就此止步不前。
【责任编辑】赵菲, 百拇医药(刘大为 刘可晶)