《星际穿越》物理学：看预告片计算飞船大小

　　北京时间10月30日消息，据国外媒体报道，好莱坞最新大片《星际穿越》(Interstellar)预计将会在今年11月12日在内地上映。现在已经可以观看这部科幻巨制的一系列宣传片。当然不仅仅是这部片子，在所有太空题材影片中，你基本都可以在里面看到飞船或空间站在太空中旋转的景象。但是在太空中的飞船和卫星为何要旋转呢？
　　飞船为何旋转
　　这个问题可不像它看上去的那么简单。这里有一些简单的，但又容易出错的事实。首先，在太空里宇航员是“失重”的，他们可以自由漂浮，似乎重力已经消失。但实际上这是一大错觉：重力并没有消失。当他们自身和他们的飞船只受到重力作用加速时，宇航员便会体验到失重现象，从他们的个人体验来看，似乎重力的确消失了。
　　在日常生活中，人类甚至根本不会感受到重力的存在，因为它均匀地作用于身体的各个部分。相反，我们会对外部施加于我们的力比较敏感，比如地面作用于我们脚掌的力。我们将这种力称为：“表观重量”。因此对于失重的解决方案就在于营造某种“表观重量”。
　　在本文配图中，你可以看到两名宇航员，左边那位站在地球上，而右边一位则在一艘飞船中。如果后面这位宇航员所处的是微重力环境，比如深空，那么唯一感受到重力的方式便是让地板向人体施加一股力，从而让人感受到虚拟重力的存在。这样，这两名宇航员的感受都将是相同的。
　　那么如何才能在宇宙飞船上营造这种虚拟的重力环境呢？学过基本力学的人都知道，如果我们改变飞船的速度，就会得到一个加速度。如果这一加速度的方向时从宇航员的脚底指向头顶，从地板向宇航员施加一个力，如此宇航员便能感受到“表观重量”。当然，要想一直持续加速飞船会相当困难。
　　不过，由于速度是矢量，我么可以通过另一种方式获得加速量。加速度取决于速度的改变，而速度是一个矢量，那么它方向上的改变同样会得到一个加速度。好了，这就是这个问题的答案：只要你做圆周运动(匀速)，你就等于时刻都在改变着速度，也就得到了加速度。
　　实际上在日常生活中你就能体会到这一点：当你开车拐弯的时候，你会感觉自己被甩向一边。飞船的情况是完全一样的。
　　在旋转的飞船中，宇航员感受到的“表观重量”取决于两个因素：转圈直径的大小以及旋转的速度(一般用字母ω表示)。这样你就能够解释这样一个现象，那就是较大的飞船转动的速度会较慢，而较小的飞船转动的速度会较快。
　　《星际穿越》中的飞船有多大？
　　在有了关于飞船大小与宇航员“表观重量”之间的大致关系之后，我们便可以开始尝试研究影片《星际穿越》中飞船的大小了。尽管这部影片目前还尚未上映，但《娱乐周刊》中描述称这艘飞船可以让宇航员们体验到大约1g的重力，也就是大致相当于地面上的重力感受。
　　那么，如果在飞船上营造出相当于1g的重力体验，并且我们通过这部电影的预告片已经可以知道飞船在太空中旋转的速度，那么理论上我们就可以计算出它的大小。
　　所以第一步是要确定这艘飞船自转的速度。这一点并不困难，只要仔细观看一下这个电影的任何一个预告片就行。在这里使用了一种视频分析软件(比如Tracker Video Analysis)追踪视频中展示的飞船某一部分的转动轨迹，比如将定位点对准飞船的中心，如此便能计算出其转动的角速度大小。
　　不过在实际做的过程中，要定位飞船上的一个点有些困难，因为视频里飞船很远，因此显得很小。不过你很明显可以看到这艘飞船正以均匀的角速度转动。因此仍然可以大致测算出其角速度约为每秒0.59弧度。按照1g重力体验的条件，可以计算出这艘飞船的半径约为28.2米，即直径56.4米。这个数字太大了，因为国际空间站也才只有100米长，还算上了太阳帆板的长度。
　　利用同样的方法，你还可以对其他电影中飞船的实际大小进行测算，比如《2001太空奥德赛》、《极乐空间》等等。(晨风)