《星際穿越》物理學：看預告片計算飛船大小

新浪科技訊 北京時間10月30日消息，據國外媒體報導，好萊塢最新大片《星際穿越》(Interstellar)預計將會在今年11月12日在內地上映。現在已經可以觀看這部科幻巨制的一系列宣傳片。當然不僅僅是這部片子，在所有太空題材影片中，你基本都可以在裏面看到飛船或空間站在太空中旋轉的景象。但是在太空中的飛船和衛星為何要旋轉呢？

飛船為何旋轉

這個問題可不像它看上去的那麼簡單。這裏有一些簡單的，但又容易出錯的事實。首先，在太空裏宇航員是“失重”的，他們可以自由漂浮，似乎重力已經消失。但實際上這是一大錯覺：重力並沒有消失。當他們自身和他們的飛船只受到重力作用加速時，宇航員便會體驗到失重現象，從他們的個人體驗來看，似乎重力的確消失了。

在日常生活中，人類甚至根本不會感受到重力的存在，因為它均勻地作用於身體的各個部分。相反，我們會對外部施加於我們的力比較敏感，比如地面作用於我們腳掌的力。我們將這種力稱為：“表觀重量”。因此對於失重的解決方案就在於營造某種“表觀重量”。

在本文配圖中，你可以看到兩名宇航員，左邊那位站在地球上，而右邊一位則在一艘飛船中。如果后面這位宇航員所處的是微重力環境，比如深空，那麼唯一感受到重力的方式便是讓地板向人體施加一股力，從而讓人感受到虛擬重力的存在。這樣，這兩名宇航員的感受都將是相同的。

那麼如何才能在宇宙飛船上營造這種虛擬的重力環境呢？學過基本力學的人都知道，如果我們改變飛船的速度，就會得到一個加速度。如果這一加速度的方向時從宇航員的腳底指向頭頂，從地板向宇航員施加一個力，如此宇航員便能感受到“表觀重量”。當然，要想一直持續加速飛船會相當困難。

不過，由於速度是向量，我麼可以通過另一種方式獲得加速量。加速度取決於速度的改變，而速度是一個向量，那麼它方向上的改變同樣會得到一個加速度。好了，這就是這個問題的答案：只要你做圓周運動(勻速)，你就等於時刻都在改變速度，也就得到了加速度。

實際上在日常生活中你就能體會到這一點：當你開車拐彎的時候，你會感覺自己被甩向一邊。飛船的情況是完全一樣的。

在旋轉的飛船中，宇航員感受到的“表觀重量”取決於兩個因素：轉圈直徑的大小以及旋轉的速度(一般用字母ω表示)。這樣你就能夠解釋這樣一個現象，那就是較大的飛船轉動的速度會較慢，而較小的飛船轉動的速度會較快。

《星際穿越》中的飛船有多大？

在有了關於飛船大小與宇航員“表觀重量”之間的大致關係之后，我們便可以開始嘗試研究影片《星際穿越》中飛船的大小了。盡管這部影片目前還尚未上映，但《娛樂周刊》中描述稱這艘飛船可以讓宇航員們體驗到大約1g的重力，也就是大致相當於地面上的重力感受。

那麼，如果在飛船上營造出相當於1g的重力體驗，並且我們通過這部電影的預告片已經可以知道飛船在太空中旋轉的速度，那麼理論上我們就可以計算出它的大小。

所以第一步是要確定這艘飛船自轉的速度。這一點並不困難，只要仔細觀看一下這個電影的任何一個預告片就行。在這裏使用了一種視頻分析軟件(比如Tracker Video Analysis)追蹤視頻中展示的飛船某一部分的轉動軌跡，比如將定位點對準飛船的中心，如此便能計算出其轉動的角速度大小。

不過在實際做的過程中，要定位飛船上的一個點有些困難，因為視頻裏飛船很遠，因此顯得很小。不過你很明顯可以看到這艘飛船正以均勻的角速度轉動。因此仍然可以大致測算出其角速度約為每秒0.59弧度。按照1g重力體驗的條件，可以計算出這艘飛船的半徑約為28.2米，即直徑56.4米。這個數字太大了，因為國際空間站也才只有100米長，還算上了太陽帆板的長度。

利用同樣的方法，你還可以對其他電影中飛船的實際大小進行測算，比如《2001太空奧德賽》、《極樂空間》等等。(晨風)