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正如老笑話所說，重力真是糟糕。
它把我們往下拉，拉扯我們疲憊的四肢，使我們雙腳疲憊，使我們身體的某些部位下垂。但它也是我們長期健康的關鍵因素。過去 60 年來，環繞地球執行的宇航員和太空人發現，零重力或微重力對你來說真的不是很好。
人體是在彎曲的時空中進化而來的，物體在那裡體驗到接近均勻的每秒每秒 9.81 米的加速度。血液和體液也相應地被加壓，動脈和靜脈受到肌肉的擠壓，以避免所有血液不方便地積聚在我們的腳部。眼球被張緊以保持光學上合適的形狀。我們的微生物組也適應了具有明確上下方向的環境——尤其是在消化方面。
將我們中的一人置於零重力或微重力環境中，事情就會變得棘手。我們的心血管系統很快就會感到困惑，因此體液會積聚在它們通常不會積聚的地方——因此太空旅行者可能會出現面部浮腫的外觀。眼睛必須適應不熟悉的力。更令人困惑的是，我們都是不同的，因此我們的生理變化可能會因個體而異。
長期缺乏重力甚至更嚴重。骨骼的生長和維持會受到損害，否則會用於骨骼的礦物質最終會堵塞我們的血漿，最終使我們面臨患腎結石和其他疾病的風險。紅細胞計數下降，免疫系統顯示出受損的跡象。
因此，我們長期以來一直在思考如何減輕這些影響也就不足為奇了。一種方法是嘗試在我們離開一顆美好的巨大行星的任何時候創造人造重力。
這些想法的一個非常早期的例子是在 1896 年，當時傑出的俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基描述了在太空中使用旋轉結構來利用離心“力”來模擬重力加速度。旋轉物體，就像在操場上旋轉裝滿水的水桶的實驗一樣，直到水留在底部，你就會在物體上產生穩定的加速度。
1968 年上映的標誌性電影《2001：太空漫遊》展示了旋轉空間棲息地可能如何運作的最佳視覺化效果之一（版權問題使此處難以複製，但下面來自 NASA 檔案館的影像在性質上非常接近）。
首次真正的人造重力實驗發生在 1966 年 9 月，當時 NASA 的雙子座 11 號任務（由皮特·康拉德和理查德·戈爾登駕駛）在近地軌道與阿金納目標飛行器（一個 7,000 磅重的改裝火箭級）交會。
他們的活動之一是在雙子座艙和阿金納之間連線一條 30 米（100 英尺）長的尼龍繩。最初的想法是，首先，透過將雙子座“置於”阿金納之上，繩索將透過該距離上的重力拉力的差異來保持拉緊（但這效果不太好），其次，這兩艘飛船可以像一套“套索”一樣相互移動——透過繩索連線在一起，並在雙子座艙的“地板”方向產生人造重力。
您可以在此處觀看結果，從大約 10 分 30 秒開始。儘管繩索和其他航天器問題中存在振盪，但在 20 分鐘左右後，這些確實暫時穩定下來，並且在很短的時間內，在雙子座艙中觀察到了一丁點人造重力。重力有多大？大約 0.0005 克，轉速為每分鐘 0.15 轉。稍後，繩索被釋放。
目睹這一切有點令人傷腦筋。閱讀正在發生的事情的細節更令人傷腦筋，你可以在這裡閱讀。
旋轉棲息地中產生的加速度也帶來了其他挑戰，因為你的居住者不會保持靜止不動。
當您站在旋轉環境中的“地板”上時，您的頭部始終更靠近旋轉軸，這意味著您的頭骨實際上比您的腳移動得更慢。當您彎腰撿東西或繫鞋帶時會發生什麼？同樣，當您嘗試行走時會發生什麼？在這些時刻，您的身體必須克服速度差，而您的內耳——及其充滿液體的微小運動檢測器——會感覺到一些非常奇怪的事情發生。
地球的質量半徑足夠大，以至於重力場中的梯度很淺，我們腳和頭之間重力加速度的差異僅約為每秒每秒 0.000006 米，或約為 0.00006%（忽略行星自轉的複雜性）。我們已經適應了這種微小的變化，並且沒有注意到它。旋轉航天器的情況不一定如此。
這還沒完。橫向運動怎麼樣？僅僅在旋轉棲息地中轉動你的頭就涉及到改變你的哪些部位是切向或垂直於旋轉方向的，這對你的內耳來說也同樣可能是不愉快的。
多年來，人們已經考慮過許多這些問題，儘管大部分工作是在 1960 年代和 1970 年代完成的。西奧多·霍爾在他的 1990 年代的博士論文中進行了特別徹底的調查，並且許多材料都可以在網上找到——包括一個名為 SpinCalc 的便捷人造重力計算器！
結論是，你需要保持旋轉環境相對於人體尺寸較大（100 米半徑會很好），以最大限度地減少頭部和腳部之間的絕對速度差異，並保持每分鐘的轉數相對較低（可能小於 3-4）。你還需要對其進行配置，使圓周運動的實際速度明顯大於人類將要行走或跑步的典型速度。否則，如果你朝反旋轉方向跑，你可能會抵消將你推到地板上的加速度！
底線是，正如雙子座 11 號宇航員所體驗到的那樣，不僅建立人造重力系統有點工程挑戰，而且調整事物以充分適應人類（或任何其他生物）可以應對的事情也是一個挑戰。它不像只是旋轉你的太空輪子那麼簡單...
*編者注：（2018 年 4 月 17 日）：此句在釋出後經過編輯，以正確識別雙子座 11 號飛行員理查德·戈爾登。
