在微重力下漂浮

1919年，著名物候学家竺可桢在以“提倡科学，鼓吹实业，审定名词，传播知识”为宗旨的中文期刊《科学》（1915年创刊）上发表文章，其中有这么一段话：“夫以科学家之眼光观之，则人类者实不啻一种不自由之囚徒耳。人类之囹圄，即地球面部之空气层是也；人类之缧绁，即直径八千哩之地球是也。吾人既不能须臾离此空气，亦无庞大之能力，足以抵抗地心吸力而使吾人翱翔于空中。”这里感慨了人要离开地球家园所要面临的巨大挑战。不过，空气尚可以携带，气压也可以补充，最难的其实是摆脱重力的束缚。

在嫦娥奔月的故事里，嫦娥喝了飞升仙药而摆脱重力束缚，飞到月宫。现代的科学技术还没有制造出对抗重力的飞升药，也无法让人自己能够摆脱重力，只能依靠燃料的强大推力进入太空。由于没有了空气，航天器在太空里要继续飞行，只能利用自身的惯性、星球的引力，以及喷射一些物质所产生的反作用力而获得动量的改变。在进入绕地飞行的轨道后，由于失去重力，人会在飞船或空间站里漂浮起来。航天员在太空无重力的状态下行走的情景，令很多人痴迷、向往，并且希望有朝一日自己也能去体会失重的感觉。

在地球上，所有地方都伸出无形的手，通过引力抓住每个物体、每个生物、每个生物体内的每个细胞以及每个细胞里的每个分子。因此，要在地面模拟“失重”是非常困难的事。不过，人们还是开发出各种手段，如落塔、探空气球、探空火箭、人造卫星、抛物线飞机以及空间站研究平台等，尽可能地模拟失重的环境，以进行各类实验。

落塔

地球表面的重力加速度为9.8米每二次方秒（9.8 m/s ² ），通常记作1g。如果在某种条件下，物体所受引力小于地表重力1g的10 ^-6 （百万分之一），就被称作微重力。在忽略空气阻力的情况下，自由下落的物体可以认为处于微重力状态。但有时，人们也会不太严格地把介于10 ^-6 g—10 ^-3 g之间的重力都称为微重力。

为了让物体处于失重状态，我们可以举起物体，然后放手，让它自由下落。在这种情况下，物体所受到重力转变为使之向下加速运动的动力。但是，通过这种方式获得的失重持续时间很短。解决这个问题的一个办法是，在很高的高度让物体下落，这样可以延长物体从进入失重状态至落到地面的时间。当然，由于空气阻力的存在，这个物体所处的并非完全失重状态，而是部分失重。

如果你在北京海淀区中关村南二条散步，可能会注意到附近有一个高高耸立的建筑，看起来像烟囱，但外表非常光滑，不像烟囱的砖砌外壁那样粗糙，形状也不像常见烟囱那样下粗上细，而是上下粗细相仿。另外，烟囱顶端都是简单的开口以排放烟雾，这个建筑顶端却比较复杂，有规整的顶部。的确，这并不是烟囱，而是中国科学院力学研究所用于模拟失重的“微重力落塔”。

但是，落塔的高度仍然有限，物体处于失重状态的时间还是很短。为了获得更长的自由落体时间，我们还可以在落塔的下方垂直向下挖，把垂直高度向地下扩展。但即便如此，从落塔顶部下落到底端，也只有数秒钟的时间。中国科学院力学研究所的落塔高116米，自由落体实验可获得3.6秒的微重力时间。那么短的时间很难开展生物学实验，主要是用于物理学或化学方面的实验研究。由于空气阻力会改变物体自由下落的速度，对微重力水平要求较高的实验，需要在塔的中间再建设一个真空的垂直管道，使实验装置在没有空气阻力的条件下下落。

探空气球与探空火箭

除了让物体垂直落下，我们也可以通过其他方式让物体处于失重状态。当我们斜向上抛出一个石子，石子会沿着抛物线的路径运动，先升高再落下，在离开我们的手掌后，这个石子就处于失重的状态，因为地球施加在它上面的引力转变成了使其垂直向下运动的加速度。因此，如果我们想模拟失重，其实很简单，只要抛出一个东西，这个东西就会在飞出后、落地前处于失重状态。不过，如果这个时间太短，就难以满足很多科学实验的需要。

与解决落塔里物体下落时间过短的问题类似，我们可以把物体抛得尽可能高一些，这样就可以延长其处于失重状态的时间。探空气球和探空火箭这两种模拟方法都是将实验装置携带至高空，然后抛下，其中探空气球可以飞至40—50千米的高度，探空火箭可以飞至50—1 500千米的高度。在这种高度下，必须事先做好保护措施，否则用来做实验的仪器或者生物样本在落至地面时可能会摔得稀巴烂。

顾名思义，探空气球就是用来探测天空的气球，准确地说是探测从地面到几十千米高空范围内的空间大气参数。探空气球在20世纪20年代就得到了实际应用，并沿用至今。探空气球可以直接测量超过30千米高度的大气压力、温度、湿度以及风速、风向等高空气象数据，广为使用的原因包括低成本、易操作。

探空气球多数是用橡胶材料制作，而橡胶具有很好的弹性。气球上升时，随着高度增加，空气密度和气压不断降低，橡胶气球就会不断胀大。当气球到达飞行顶点，也就是膨胀到极限时就会爆炸，结束飞行过程。此时，实验装置被抛出，自由下落，从下落开始进入微重力状态。但是，下落到30千米高度以下后，大气密度逐渐增加，空气阻力会使得微重力环境难以保持，因此微重力实验只能在下落至30千米高度之前进行。由于探空气球的飞行高度最高也只有40—50千米，用探空气球的方式开展微重力实验，所获得的微重力时间仍然不是很长。

探空火箭飞得更高，所获取的实验数据可用于天气预报、地球物理和天文物理研究，为弹道导弹、运载火箭、人造卫星、载人飞船等飞行器的研制提供必要的环境参数。探空火箭还可用于某些特殊问题的试验研究，如进行新技术和仪器设备的验证性试验等。用探空火箭研究生命活动由来已久，美国在20世纪50年代就试射过多颗“飞行蜜蜂号”（Aerobee）探空火箭，将鼠、猴等动物发射到高空中，研究火箭发射和下落过程中动物生理指标的变化情况。

探空火箭发射升空后，由于高度和速度的限制，并不会像运载火箭一样进入环绕地球飞行的轨道，而是在到达最高点后开始下降，在下降过程中利用降落伞等气动减速装置，将携带的科学仪器和设备安全降落到地面回收。在飞行过程中，探空火箭还可以检测不同高度的大气参数或辐射强度。

探空火箭的飞行高度，处在探空气球的飞行高度之上、探测卫星的轨道高度之下，可以获得数分钟到十数分钟的高质量的微重力时间。但是，如果考虑成本，探空火箭的成本比探空气球高出很多，因此探空气球仍然具有一定的应用价值。

利用探空火箭进行微重力和生命科学实验，均需要将样品回收，因此要考虑样品的回收技术。世界上绝大部分的探空火箭发射场都设在陆地上的无人地带，通过降落伞回收样品。

NASA和欧洲空间局每年都要发射探空火箭进行微重力和生命科学实验。2018年，瑞典科学家利用探空火箭TEXUS 54研究了微重力对细胞骨架的影响。他们利用探空火箭将人的乳腺癌细胞MCF—7送入太空，并分别在发射前和发射过程中多个时间点观察细胞骨架的动态变化。实验结果显示，在重力发生变化后，小小的细胞在几分钟内就会做出反应。

与落塔相比，探空气球和探空火箭能够提供更长的微重力状态，但是后两者难以保持温度的恒定，也难以抵御高空的辐射，因此，对取得的实验数据在进行分析时需要考虑这些失重以外的环境因素。

返回式卫星与飞船

返回式卫星，也称为回收卫星，是指卫星在绕地球飞行的轨道上完成任务后会整体或部分返回地面。用于通信、气象、导航等用途的卫星不会返回，它们在轨道上一直工作到坏掉。还有一些卫星，如以前的用于侦察、拍照的卫星，用的是胶片相机，底片需要冲洗才能获得影像，所以这类卫星需要在完成任务后返回地面。此外，用于科学实验的卫星携带了样品，要进行回收和分析，所以这类卫星也属于返回式卫星。

我国从1987年开始用返回式卫星搭载的方式，进行空间生物学实验研究，实验对象和材料主要包括动物、植物、微生物和细胞组织等，以探索空间微重力等环境因素对生命活动规律的影响，并建立在空间环境下开展生命科学研究的技术方法。

“实践十号”卫星是我国第一颗微重力实验卫星，于2016年4月6日发射。科学家们在这颗卫星上开展了19项科学实验，涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、微重力对生物的影响与效应、空间生物技术等六大领域。“实践十号”还首次把小鼠早期胚胎带上太空，在空间环境下培养这些胚胎并通过显微镜进行实时跟踪观察，看它们在微重力环境中能否继续分裂。“实践十号”卫星上还有蚕宝宝，用来观察微重力对家蚕发育的影响。

货运飞船是往返于空间站和地面的运载航天器。如果把载人飞船比喻成搭载航天员的小轿车，那么货运飞船就是专门拖货的大货车，并且这个大货车还是自动驾驶的，没有司机。货运飞船在运送物资之余，如果空间有富余，也可以搭载进行一些科学研究。2017年4月20日，我国发射了“天舟一号”货运飞船。该飞船2017年4月22日与“天宫二号”空间实验室完成对接，于2017年9月22日返回，并在大气层烧毁。我国西北工业大学、清华大学、浙江大学、香港浸会大学等单位充分利用这次搭载机会，开展了大量空间科学研究，其中包括微重力环境对骨细胞和成骨细胞生命活动、多能干细胞分化、胚胎干细胞的增殖与分化、人生殖细胞分化等的影响。2021年，我国的“天舟”货运飞船也开始公开征集研究计划，科研、商业、教育等行业的人员如果有好的研究思路都可以提出来，申请在货运飞船上做实验。

返回式卫星和飞船在轨期间绕地球旋转时有时处于微重力状态，但是原理与前面提到的探空火箭不同。飞船和返回式卫星绕地球旋转时，是沿近似圆形的轨道运动，运动方向在不断改变，在这种情况下，引力几乎全部转化为向心力，因此其中的人和物体受到的重力几近消失，处于失重状态。我们在观看火箭发射时会发现，当火箭将载人飞船送入轨道后，舱里的一些物品开始漂浮起来，就是这个原因。实际上，即使站在地面上，我们所受到的重力也不等于地球对我们的引力，因为我们随地球旋转时，也有一小部分引力转化为向心力。

航天飞机与空间站

1981年，美国的第一架航天飞机问世。航天飞机不仅具有可以重复使用、维修方便、执行任务灵活、可以使卫星简单化等优点，还可以在机舱内做研究，包括空间生命科学、空间环境探测、地球观测、微重力科学、基础物理、工业品生产等。美国一共造了5架航天飞机，执行任务次数达135次。但是，航天飞机出了不少严重的灾难性事故，因此美国不再建造航天飞机。除了美国外，苏联也曾制造和发射过航天飞机。1988年11月15日，苏联发射“暴风雪号”大型航天飞机，进行不载人的绕地飞行两圈的飞行试验。

对模拟失重来说，在空间站里做实验当然是最理想的。空间站空间大，设施齐全，可以开展更多的科学研究，但是，空间站毕竟资源有限，不能满足所有需求。因此目前均是利用其他模拟方法或平台开展先期研究，待取得有价值的发现后再到空间站里去加以验证。除了空间站外，在不同的时期，还出现过空间实验室，规模比空间站小。

卧床实验，躺着挣钱？

2020年9月，深圳市绿航星际太空科技研究院网站上贴出一则启事，招募志愿者参加一种特殊的头低位卧床实验。志愿者需要在床上连续躺15天，并接受相关测试、锻炼和检查，全程管吃管喝，完成全部实验就可获得15 000元参试补助及参试证书。这个工作听起来很吸引人，既能为航天做贡献，又能躺着赚钱。

实际上，头低位卧床实验在航天机构里并不鲜见，NASA、欧洲空间局等机构都经常开展这类实验。那么，为什么要人连续那么长时间躺着？做这样的实验有什么目的和意义呢？

迄今在载人飞船、空间实验室、空间站等平台上已经开展了很多人体实验，但是很多问题仍然没搞清楚。尽管已经有超过600名航天员进入太空，但是由于条件限制，在空间难以开展大量、系统的研究，例如美国的双胞胎实验对象只有两个人，也只做了一次实验。因此，在地面开展模拟空间环境进行研究是非常必要的。在这些模拟实验里，-6°头低位卧床就是常用的一种模拟失重效应的方法。卧床实验人员的姿势并不是“躺平”，而是头比脚低6°。

当我们在地面站立时，由于重力的作用，身体的大部分血液位于下半身，所以血压从头到脚逐渐增高，头部血压大约是70毫米汞柱，胸部大约是100毫米汞柱，脚部大约是200毫米汞柱。当我们进入太空，处于微重力下，由于重力缺失及腿部血管收缩，血液涌向头胸部，身体各部位的血压变得相等了，都在100毫米汞柱左右。当我们在地面平躺时，血液在与床板接触的身体部位分布较多，但从头到脚由于处于水平位置上，所以血压是相等的。当我们头比脚低6°躺在床上时，血液在重力的作用下涌向头胸部，下肢的血液量减少，就可以模拟微重力条件下的体液分布变化以及由此引起的生理改变。

在微重力下，由于更多的体液流向头部，头面部会出现浮肿，而腿部由于血液减少会变细，称为鸟腿（bird leg）。头部充血会导致航天员出现很多不适，-6°头低位卧床可以较为接近地模拟这些生理改变。此外，在微重力下人的骨骼会变得疏松，肌肉会出现萎缩，而在-6°头低位卧床时，在水平方向上腿也不再受到重力，因此也会发生一定程度的肌肉萎缩和骨质丢失，因此也可以模拟太空里的生理变化。当然，头低位卧床实验时间一般不会很长，而且在卧床期间全程都有医疗监护，因此这种实验是安全的。志愿者在实验结束后，过一段时间身体状况就能够恢复。

一些病人或者伤员长期卧床，也会出现上面提到的这些生理变化，因此对于头低位卧床的研究对改善这些伤病员的健康状态具有重要帮助。实际上，在头低位卧床实验里，经常会有临床医生或医学研究人员参加，他们想从卧床实验里找到治疗一些临床病症的线索。

俗话说“坐着不如倒着，好吃不如饺子”，这只对短时间的休憩有效，对长时间的卧床实验来说则是无效的。在卧床实验过程中，志愿者几乎所有活动都要躺在床上进行，吃饭、阅读、洗澡、大小便等都要保持躺卧姿态，护工会为志愿者提供帮助。这对人的生理和心理是很大的挑战，并不是那么轻松就能够完成的。

有一张名为《边韶昼眠》的宋代古画，画中白胖的边韶袒胸露肚，躺在席子上睡觉，他的腿伸在一个木制的凭几上，很惬意的样子。按照这个姿势，他的脚比头高出不少，和卧床实验的姿势有点相似。但是，根据更多的古代资料或画作来看，这并不是凭几的正确使用方式，凭几一般是让人困倦时背部靠在上面或胳膊搭在上面以放松或小憩。画里这个人把腿架到凭几上应该是比较不羁的操作。不管姿势正确与否，这个人这样躺着最多也就躺几个时辰，不会很长，所以对身体的影响不明显，不像头低位卧床实验那样具有挑战性。

节假日我们在家里的床上或沙发上“躺平”一整天，然后不得不爬起来出门买东西或丢垃圾时，我们会觉得头晕乎乎的，走起来腿轻飘飘的。由此可见，老是躺着不动对身体是没什么好处的。但是，与长时间卧床实验相比，节假日在家躺一天简直是小巫见大巫。短时间躺一下很惬意，连续多天长时间躺着可就很难受了，健康也会受到一定影响。因此，卧床实验志愿者的报酬确实比较高，但也是辛勤付出应得的，他们为航天生物医学研究做出了贡献。天下没有免费的午餐，也没有轻松的卧床实验——躺着赚钱，也并非轻松易事。

欧洲空间局、法国国家空间研究中心（Centre National d'Études Spatiales，CNES）、日本宇宙开发事业集团（National Space Development Agency，NASDA）等国际宇航机构曾经联合举行过一次为期90天的卧床实验。总共有超过1000人报名参加，其中有120人通过了生理和心理筛查，最终挑选出25名受试志愿者。研究人员有66人，来自不同的国家，其中欧洲空间局有8个成员国30多个研究机构以及20家医院的人员参与其中。大约250人参与了本次实验的组织和管理工作，包括140名医生、护士、理疗师、心理医师、护工、营养师和技术人员等。医护人员是为了在志愿者突发一些疾病时可以提供治疗，而心理医生是为了防止志愿者长时间卧床出现心理问题。从这些数字我们可以看出，卧床实验是很耗时耗力的工作，需要精心的筹划与准备。实验需要经过伦理委员会审查，确保志愿者知情并了解实验的目的和可能对身体造成的潜在影响后，签署同意书后才会开展。同时，会在实验结束后设置一段时间的恢复期，继续监测志愿者的健康状况。

监测结果显示，卧床90天后，在进行体育锻炼的情况下，肌肉的横截面积减少可达约15%，而在不进行体育锻炼的情况下，肌肉横截面积减少了大约25%。这些结果说明，虽然体育锻炼能够明显减缓肌肉萎缩的速度，但是仍然难以达到未卧床的水平。体育锻炼能够在一定程度上对抗肌肉萎缩和骨质丢失，但是并不能完全抵消这种影响，因此还需要研究和建立新的措施，才能帮助航天员应对未来长期在太空执行任务所面临的失重环境的挑战。

我们也可以用动物来做类似的实验。例如，让兔子趴在实验台上，用布带把兔子从背部水平固定在实验台上，然后让实验台向前倾斜一段时间，再向后倾斜一段时间，这样就会改变兔子的体液分布。向前倾斜时，体液向头部分布较多，向后倾斜时，体液向身体后部分布。蛇也可以作为实验对象。海蛇是一类毒性很强但攻击性不强的动物，生活在海里。由于受到周围海水均匀的压力，可以对抗重力的作用，因此无论海蛇沿着水平方向还是垂直方向游泳，血液的分布都不会有明显的变化。但是对在陆地上爬行的蛇来说，如果它为了捕食爬到树上或从树上爬下，身体里的血液分布就会因为重力的作用而发生明显改变：当蛇向上爬树时，血液会集中在身体尾部；当蛇向下爬回地面时，血液又会集中在身体的头部。血液分布的变化会引起血压的剧烈改变。曾有人把蛇塞在一根长玻璃管里，然后以不同角度倾斜，研究血液在蛇身体里重新分布引起的血压变化。当然，严格来讲，上面这些实验不能叫卧床实验，因为兔子和蛇并不是头低位躺卧的，但是，实验的原理与人的头低位卧床实验原理是相同的。

鼠和兔子都不像人那样躺卧着睡觉。此外，在卧床实验里，志愿者会服从规定，坚持躺卧姿势，但是兔子、鼠等动物则不可能听从指令，长时间保持一个姿势。为了达到模拟失重的目的，一般是把鼠的尾巴用胶带缠住，然后用绳子悬起让鼠后腿离开地面，使其身体与地面呈约30°角。绳子的另一端固定在一个可以随鼠活动而移动的轮上，这样鼠在笼子里可以自由活动，但只能用前肢爬行。这种姿势使得鼠的血液会像人在卧床实验中那样在头部分布更多。由于这样的实验需要把鼠的尾巴悬起，鼠后肢无法着地，所以称作后肢悬吊实验或者悬尾实验。

抛物线飞行实验

我们乘坐飞机时如果碰到气流，原先平稳飞行的飞机会发生颠簸，遇上强气流时飞机还会急剧下坠一段高度，在下降过程中乘客能够体会到失重，感觉自己变得轻飘飘的。尽管失重的感觉很奇妙，但为了安全，没有人希望在飞行过程中碰到这种事情。

有一种飞机，被称为“抛物线飞机”，专门用来制造失重的环境，让科研人员开展失重环境下的科学实验。乘坐这种飞机进入失重状态时，机舱中没有被固定的人或物品都会失去重量，漂浮起来。由于在飞行过程中不少人会呕吐，在机舱的一角，专门有一个大垃圾桶供呕吐之用。这种飞机是沿抛物线轨迹飞行的，而抛物线的形状形似彗星，因此，抛物线飞机也被称为“呕吐彗星”（vomit comet）。

不少电影里都出现过抛物线飞机的身影，有的是为了航天训练，例如国产影片《飞天》；也有的是为了制造浪漫、追逐爱情，如《私奔B计划》等。电影《飞天》的主要内容是作为航天员的男主角长期奉献于航天事业，刻苦训练，但几次与飞上苍穹执行任务失之交臂。在影片最后，他凭借自己的实力获得了上天修补飞船和救助战友的机会，也圆了自己的飞天梦。在男主角赴俄罗斯训练的情节里，有一个在抛物线飞机里的场景：他们漂浮在空中，接受多种训练，包括准确地用嘴接住饼干等食物。《私奔B计划》是一部情感娱乐片，剧中男主角为了取悦女主角，带她进入俄罗斯空军基地，登上了抛物线飞机，体会了失重的浪漫之旅。

在飞行过程中，抛物线飞机开始先平飞，高度约为6千米，速度约为每小时810千米，然后飞机开始沿47°倾角向上加速飞行，这一阶段持续大约20秒，在这段时间里重力为1.5g—1.8g。当飞机到达7.5千米高度时，关闭引擎，由于惯性飞机继续沿着抛物线斜向上飞，但是速度越来越慢，直至到达顶端时向上的速度为零（水平方向仍然有速度），此时飞机在垂直方向上已是“强弩之末”。然后，由于重力的作用，飞机开始沿抛物线向下飞行。在关闭引擎的这段时间里，飞机处于失重状态，持续大约22秒。当下行到大约7.5千米的高度、大约47°倾角时，飞机重新发动引擎，加速向下俯冲，同时逐渐调节飞机倾斜角度，在这段时间里重力约为1.5g—1.8g，持续时间约20秒。飞机在下降到大约6千米时，恢复为平飞状态，飞行一段距离后再重复这样的循环，每次抛物线飞机出行要飞大约30个这样的循环。

在每轮抛物线飞行的22秒失重时间段里，机舱内所有没有固定的物体都会漂浮起来，在这段时间里研究人员也会抓紧做实验。当22秒快结束时，机长会提醒大家注意，因为当飞机切换到超重状态时，如果机舱里的人不抓好扶手或者蹲在地上，就会重重地摔倒在地，漂浮在空中的物体也会重重地掉落下来，所以要在切换前收拾好。

抛物线飞机机舱里的大部分座椅都会被拆掉，空出来作为实验场地。地板、舱壁和顶部都安装了一层具有弹性的材料，所有设备的边缘和突出的转角处也都包裹了海绵。在微重力阶段结束切换到超重状态，漂浮在空中的人员坠落下来时，这些弹性材料和海绵可以防止他们受伤。

抛物线飞行能够模拟的微重力持续时间很短，只有20秒左右，并且与超重、正常重力等状态交替变化，因此抛物线飞行适合研究重力的交替变化对生理和行为的影响，但要研究长时间的失重变化对生理和行为的影响就不适合了。我们前面介绍的探空火箭也是在抛物线飞行过程里模拟失重，但是探空火箭每次发射只能进行一次抛物线飞行，抛物线飞机则可以在每次起飞后连续进行多次抛物线飞行，因此进行实验操作的机会也多。

对航天员来说，在抛物线飞机里进行训练是适应将来上天的微重力环境所必需的。当然，抛物线飞机并不仅仅为航天员训练提供服务，很多科学家、工程师、学生以及一些社会名流都曾经登上抛物线飞机，有的是为了科学研究，有的是花钱买感受，在飞行中体会失重和呕吐的感觉。

抛物线飞机迄今已有70多年的历史。1950年，美国政府雇佣了德国航空工程师弗里茨·哈贝尔（Fritz Haber）和物理学家海因茨·哈贝尔（Heinz Haber），这兄弟俩提出了通过飞机飞行来模拟空间微重力条件的方案：需要进行反复多次的波浪式飞行，也就是按抛物线轨迹飞行。1957年，航天员开始接受抛物线飞机训练。

1973年，NASA接管了原先由空军负责的空间计划。但是，从2008年开始，一家私人公司“零重力”（Zero-G）开始负责抛物线飞机和相关训练的运营，他们使用的飞机是波音727—200F。

美国的弗吉尼亚零重力公司（Virginia-based Zero-G）从2005年开始运营抛物线飞机，并对公众开放，飞行一次的票价为4950美元。科幻电影《星际迷航》的导演武井（George Takei）和英国维珍银河公司创始人、亿万富翁布兰森都曾体验过抛物线飞行。2007年，著名物理学家霍金也曾在美国的佛罗里达航天中心乘坐“重力一号”（G-Force One）体验失重飞行，这激发了任职于NASA的斯特恩（Alan Stern）的感慨，他说：“现在是21世纪了，我期望越来越多的科学家能够在零重力下做实验，甚至在空间里做，因为新的交通工具和空间平台已经开放。”

电影《阿波罗13号》的男演员汤姆·汉克斯（Tom Hanks）、凯文·贝肯（Kevin Bacon）和比尔·帕克斯顿（Bill Paxton），曾经在20世纪90年代在KC-135A飞机上进行抛物线飞行，NASA在那个年代曾经采用了几种不同型号的飞机开展抛物线飞行，其中最著名的就是KC-135A，不过这种机型早已退役了。

目前，可以进行抛物线飞行的国家有美国、德国、俄罗斯和法国等。法国的抛物线飞机由Novespace和AirZeroG公司运营。我曾经于2014年10月带着学生与中国航天员科研训练中心的人员一道前往法国波尔多做抛物线飞行实验，但我因为事先未来得及进行体检，所以不能上飞机参加抛物线飞行，只能将准备好的样品放到飞机里让样品在天上飞，飞机返回后再取出样品，带回实验室进行处理和分析。进入机舱取样品时，我看到角落里有一只大桶，工作人员说那就是供人呕吐用的。

当时为我们提供服务的是由一架空客A300改造的抛物线飞机，机身上写着很大的“ZERO-G”，也就是零重力的意思。说出来让人难以置信，这架飞机竟然是法国空中客车公司于30年前制造的老飞机，但仍然性能良好。在我们这次实验结束后不久，它就“退休”了。这架飞机在服役期间，总共执行过275次抛物线飞行任务，共有24个国家和地区的研究团队参与这些任务。依托它发表的700多篇科研论文里，以物理学论文最多，其次是生理学、生物学和技术科学论文，其中也有我们的一篇生理学论文。后来，一架更先进的空客A310开始接替它进行新的抛物线飞行实验，成了新的“呕吐彗星”。

“呕吐彗星”这个名字听起来不雅，而且抛物线飞机真的可以让人前庭功能紊乱，出现呕吐、胃部痉挛等不适反应，那为什么还有很多人非常向往抛物线飞行的经历？除了能满足好奇心、探索欲，大概还因为稀有。抛物线飞行的成本很高，所以机会非常宝贵——如果是以游客的身份前来，体验价大概是6000欧元飞行一次（最新价格为8200美元并要交5%的税）。由此也可以推断，《私奔B计划》里的男主角应该是个大款。

模拟失重的其他一些方法

让人晕头转向的回转器

回转器是一种常用的设备，可以在地面模拟失重。回转器的工作原理很简单，就是让物体不停旋转，改变方向。回转器既有二维的也有三维的，在二维回转器上，物体必须是在垂直平面上旋转或者在倾斜平面上旋转，而不能在水平面上旋转，否则重力的方向总是垂直向下，并不能起到改变重力方向的作用。

三维回转器看起来有点像舞厅里旋转的灯球或者游乐场里的三维太空环，物品在三维回转器或人在三维太空环里旋转时，重力并没有消失，但是物品或人在不停转动，所受的重力方向一直在变化，因此可以模拟失重效应。在游乐场里，有一种叫极速风车的设施，它的叶片可以绕轴心旋转，每个叶片也可以独立旋转。极速风车在绕轴心旋转但叶片不转时与二维回转器很相似，因为游客只在一个平面上旋转；如果极速风车在旋转时叶片也独立旋转，游客同时在不同平面上旋转，那就像三维回转器了。三维太空环的原理与此类似。

一些游乐场里还有跳楼机，人在上面也可以体会到失重的刺激。跳楼机有多个英文名，如free fall、jumping tower及drop tower，最后一个词drop tower和落塔是一个意思，而且落塔和跳楼机的原理也是相同的。此外，游客在大摆锤等设施上能体验到超重的感觉，还有的设施可以让游客同时体验超重和失重，比如带旋转功能的跳楼机。这些各色各样的设备不由得让人怀疑：游乐场是不是带有培养航天员的功能？

当我们光着脚走在溪流里，潺潺流动的溪水轻柔地缠绕着肌肤，我们能够根据水流冲刷的力量清晰地感受到水流的方向。同样，当细胞处于流动或涡旋的培养液中，流动的液体也会对细胞产生力的作用，称为剪切力。在利用回转器模拟失重效应时，要注意尽量减小液体剪切力对细胞的影响，转速不能太快，否则实验所观察到的变化主要是由这种液体剪切力造成的，而非失重造成的。

可以让青蛙漂浮的抗磁悬浮

如果读者朋友有机会去参观西北工业大学生命学院，可以在那里见到抗磁悬浮装置。这种装置可以产生很强的磁场，让细胞或者水滴悬浮在空中。由于富含水分的物体和含蛋白质物体都可以在强磁场下悬浮，科学家还实现了让体积更大的微生物甚至小动物在更强的磁场里悬浮起来。

抗磁悬浮技术是由英国科学家海姆（Andre Geim）发明的。1977年，海姆担任荷兰奈梅亨大学的副教授，他一直想用可以调节强度的电磁铁来做一些有价值的实验。常见的水、木头和生命有机体自身产生的磁场会与外界施加的磁场相互排斥，称为抗磁性。具有抗磁性特征的材料或物体可以悬浮起来，处于真正的微重力状态下。他尝试将一滴水滴入嵌有永磁铁因而可以产生强大磁场的仪器中，令人吃惊的是，这滴水不再下落，而是摆脱了重力，静静地悬浮在磁场当中。海姆的实验取得了成功。接下来，他的目标是把活的生物体悬浮起来，青蛙首先成了他的实验对象。他将一只青蛙放入一个螺线管内，因为青蛙的重量远大于一滴水，所以需要螺线管产生更为强大的磁场。当磁场增强到地球磁场强度的160 000倍时，青蛙竟然真的漂浮了起来，在空中不停地摆动四肢，成了一只“反重力青蛙”。这就是著名的“悬浮青蛙”实验。这个实验很有趣，也很魔幻，还于2000年获得了“搞笑诺贝尔奖”。

搞笑诺贝尔奖虽然听起来不太正经，但并不等于获奖的工作没有价值。海姆的“悬浮青蛙”实验获奖的原因可能是青蛙在失重条件下的样子让奖项评审人很开心，但是“悬浮青蛙”背后蕴含的是货真价实的先进技术。而且，海姆不仅在磁场方面有成就，在石墨烯研究方面也做出过卓越贡献，并于2010年获得了正儿八经的诺贝尔物理学奖，亦谐亦庄，两种诺贝尔奖都收入囊中。

通过抗磁悬浮研究生物的失重也存在不足之处，主要问题在于强磁本身会对生物体产生影响，我们看到的结果不仅仅源于失重效应。因此，在实验时要考虑各种方法的优缺点，甚至采用多种方法进行相互验证。

中性水槽和干浸水槽

我们有时会在电视里看到，航天中心有个大水槽，航天员穿着潜水服潜到水下进行训练。这种水槽叫作中性水槽，也是用来模拟失重的。不过，在水槽里，航天员并不是处于失重状态，只是水的浮力会抵消一部分重量。举个例子，一艘船漂浮在水面，它受到浮力和重力，并且两者处于平衡状态，但此时不能说是处于失重状态，如果失重的话，船里的乘客和物品就会漂浮在空中——实际上并没有发生这样的情况，否则牛顿（Isaac Newton）的棺材板就压不住了。此外，在水下行动时还会受到水的阻力影响，而这一点与空间的微重力环境也不同。由于这些局限性，水槽训练主要是让航天员增加在失重状态下进行设备操作、舱门开启等动作的体会。

除了中性水槽，还有干浸水槽实验。在这种实验里，人体自由漂浮在特制的水槽中，身体与水之间用防水布隔开，仅露出头部。躺在干浸水槽里，人体缺乏支撑，与失重状态非常相似，能够有效模拟失重对本体感觉、心血管和肌肉的效应。干浸水槽实验持续时间一般不超过一个月，主要用于模拟失重，以研究心血管功能失调和肌肉萎缩。想知道躺在干浸水槽里的感觉，可以想象躺在没有充满气的充气床垫上的感觉，不过在干浸水槽里，身体没有依托的漂浮感会更强烈。

一些游乐场有一种名为“风洞”的娱乐设施，从地下通过一个洞口向上吹出强劲的风，游客穿上防风的衣服、戴上面罩，在洞口张开四肢，调整好姿态，就可以被风力托起，漂浮在空中，体会到“站在风口上，猪也能飞起来”的感觉。当然，这种风洞模拟与中性水槽模拟类似，难以模拟真正的失重状态。

为什么要模拟失重

通过前面的介绍，我们了解到在地面很难长时间模拟真实的微重力状态，那么是否在空间环境里就可以很好地研究微重力对生命的影响了呢？未必如此。

在空间里，除了微重力以外，其他很多环境因素也与地面存在巨大差异，例如强辐射、弱磁场（或者快速交替变化的磁场）、特殊的光照等。空间环境实际上是一个高度复合的环境，我们在空间里观察到生命的某种变化规律并不能简单归结为微重力的影响，而可能是辐射、磁场或者这些因素和微重力共同的作用结果。因此，对于在空间站里获得的实验结果，我们要谨慎分析。

假设我们在空间站里开展植物实验，与地面生长的植物相比发现了一些有趣的变化，我们不能草率地下结论说这些变化就是微重力引起的，因为这可能是辐射、磁场等其他环境因素引起的。在这种情况下，我们可以在空间站里把植物放置在离心机里，调整转速，让离心机产生1g的重力，也就是创造与地面相同的重力条件。如果这时我们所观察到的重力变化时生长也发生变化的现象仍然存在，才可以得出结论微重力是主要原因，如果这些现象不复存在，则说明其他环境因素在起主要作用。

具体到某一个实验，究竟是在地面的模拟条件下做，还是在空间环境下做，需要考虑实验的具体目的。如果我们想研究空间多种环境的复合效应对生理的影响，那么在天上开展研究是最理想的；但是如果我们要有针对性地分析某种特定环境因素对生理的影响，仅在空间里研究是不够的，因为难以排除其他环境因素的影响。为了获得更有说服力的结果，在条件允许的情况下，通常会采用地面模拟和空间实验相结合的策略。

为了研究微重力下生物生理和行为的变化，我们要想方设法模拟失重条件，但是我们也可以反过来，换一种思路开展研究——采用增加重力的方式，比如用离心机来营造一个超重的条件，从而观察超重对生理和行为的影响，据此反推失重的影响。