失重(weightlessness)

失重(weightlessness)
國立臺灣大學應用物理博士班張智豪

圖片來源：維基百科

很多人以為在外太空失重是因為外太空離地面太遠，所以感受不到地心引力。其實這樣的說法並不對，以大部分衛星的高度來說，地球的地心引力還沒消失。
太空人在衛星上感受到失重的樣子， 是因為地心引力剛好全拿來當做向心力了。

當太空人在做圓周運動時，我們可以選擇使用一個與地球一起自轉的加速座標系來描述他們見到的運動，以這個座標系去寫下物體的運動公式時，作用力必須加上一些虛擬項 。(在假想力、非慣性座標系、以及伽利略的相對性原理這三個條目中，均有提到加速座標系是非慣性座標系。在以非慣性座標系中 寫下的物理定律 ，會多出一些虛擬項。)

在這裡 ，圓周運動座標系 (也就是太空人的座標系) 必須要增加一項離心力的虛擬項，所以原本還存在的地心引力 ，在圓周運動座標系裡頭看來， 就消失掉了。原因就是因為向心加速度的虛擬項剛好把地心引力加速度那項給抵消。

在這宇宙中其實還有很多萬有引力並沒消失，但加速座標系觀察者卻感覺好像失重的樣子的例子。例如我們好像感覺不到太陽的萬有引力，但其實是因為我們正在繞太陽轉，繞太陽所需的向心加速度抵消了太陽對我們的重力加速度。

我們的太陽系也正在繞著銀河中心轉，天文學家認為銀河中心可能有個大黑洞 ( 黑洞擁有超級大的質量 )，所以即使銀河中心的大黑洞離我們很遠，但它對我們依然有著萬有引力，
不過因為我們處於加速運動座標系，所以我們因向心加速度抵消了黑洞重力加速度，而感受不到黑洞對我們的吸引力。

反個角度來看 ，如果在前述場合中離心力可以抵消萬有引力，那麼在真的沒有萬有引力、但離心力卻仍然存在的場合中，則離心力可否產生類似於萬有引力的感覺呢？答案是可以的。就好像當車子在轉彎的時候，如果我們在車中， 我們會覺得好像有重力吸著我們往拐彎的反方向靠。

長期在外太空的太空人因為長期失重原因，會對人體造成不良影響 ( 例如胃酸倒流 )。所以如果將來人類需要在外太空建立太空站，派太空人長期駐守的話，則必須解決失重的問題。科學家們有想到把太空站建成圓形的，然後讓太空站快速旋轉，那麼在太空站裡頭的太空人，就會因為離心力而被壓到太空站的邊緣上。太空站的邊緣地板 ，就會好像地球的地面一樣有重力吸引力，把太空人吸到太空站的邊緣地板上。這麼一來失重問題似乎就可以被解決了。不過這個科幻小說與電影中看到的情節在實作上有需額外考量的地方，因為此時另外一個假想力─「科氏力」─也可能會扮演重要因素。

以上我們一直舉圓周運動座標的例子來說明失重狀況，但其實失重的狀況 ，並不限於只出現在圓周運動座標系，而是所有自由落體的加速座標系也都會有失重的情況出現，被重力吸引下的圓周運動座標系只是其中一種自由落體的加速座標系而已。由於自由落體雖然受著重力吸引而加速，但其落體本身是個加速座標系 而且其運動加速剛好等於重力加速度，所以在其加速運動座標下的所有物理公式都必須減掉重力加速度的虛擬項，而導致自由落體者回看自己本身 ，會覺得自己是處於失重的狀況 ( 因為重力加速被自身加速座標的虛擬項抵消掉了 )。

自由落體才是失重的最廣義例子。而愛因斯坦也是以自由落體的角度來看所有物理定律，而且把伽利略的相對性原理推廣到所有自由落體的加速座標系，而得出他 (愛因斯坦) 的畢生最大巨著 —廣義相對論。因為相對論還需要探討時間與空間因座標轉換而改變，內容相當複雜，所以我們不在此探討廣義相對論。