在太空中，什么是上，什么是下？

在国际空间站（ISS）上生活的宇航员，经常利用太空中的失重环境来玩一些有趣的游戏。他们可以在空中追赶飘浮的食物，玩拔河比赛，或者模仿超级英雄的动作。但是在太空中，我们还能用“上”和“下”这样的词来描述方向吗？

人类对太空中方向感的探索和研究可以追溯到古代。古代文明通过观察天空中的恒星、行星、月亮、日食等现象，来建立自己的天文学和占星术。他们用这些知识来制作星图、日历、时钟等工具，来指导他们的农业、航海、宗教等活动。

随着科学技术的发展，人类对太空中方向感的理解也不断深化和改变。例如，在16世纪，尼古拉·哥白尼提出了日心说，认为地球并不是宇宙的中心，而是绕着太阳转动。这个理论颠覆了之前以地球为中心的观念，给人类带来了新的视角和思考。

在20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦提出了相对论，将重力解释为时空织物的扭曲。这个理论揭示了重力对物质和光线的影响，以及不同参考系之间时间和空间的相对性。这个理论为人类进入太空时代奠定了基础。

在20世纪中后期，人类开始实现太空探索的梦想。从第一个人造卫星到第一个载人飞船，从第一个登月者到第一个太空站，人类不断地突破自己的极限，探索太空中方向感的奥秘。

如果按照宇航员的感受来说，似乎一旦我们离开地球，我们就失去了方向感。我们习惯于用“上下”或者“南北”来确定我们的位置，但是在太空中，这些概念似乎就不再适用了。然而，这并不完全正确。我们仍然可以用人类对空间和时间的感知来定位我们在星空中的位置。

无论我们在地球上还是在国际空间站上，我们都会受到重力的作用。重力是宇宙中四种基本力之一。芝加哥大学的核天体物理学家Sanjana Curtis博士说，物理学家通常认为，“下”就是重力拉你去的地方，“上”就是与之相反的地方。

那么为什么宇航员会感觉到失重呢？这是因为国际空间站和里面的人都处于自由落体状态，一直向着地球的中心坠落。地球的重力就像一根绳子，把他们往“下”拉。但是空间站也有一个很快的速度，让它沿着一个圆形轨道绕着地球转。这个速度产生了一个向外的离心力，把它往“上”推。当这两个力量达到平衡时，空间站就进入了一个稳定轨道。

Curtis说：“这是物理学最令人兴奋的事情之一，我们有一个框架来描述和理解那些不直观或者我们无法感知到的事物。”“上和下可能是模糊不清的术语，但在物理学中，你总是可以找到一个有效的定义。”

阿尔伯特·爱因斯坦把重力看作是时空织物的扭曲。为了解释这个理论，科学家经常用一个简单的比喻：一个被拉紧的床单。如果你把一个保龄球放在床单上，它会因为自己的质量而使床单凹陷。如果你再放一个弹珠在床单上，它会滚向凹陷处，被重力吸引过去。每一个有质量的物体都会像保龄球一样扭曲时空织物。所以，在宇宙中几乎没有任何地方能够完全摆脱重力的影响。伊利诺伊州费米实验室的粒子物理学家Jessica Esquivel说：“在太空中无论你去哪里，你都会感受到那张床单的扭曲，而造成这种扭曲的就是重力。”

一般来说，一个物体越大，它造成的扭曲就越深，重力就越强。但是你距离它有多近也很重要。因此，你站在哪个行星上，它都会对你产生最强的重力作用，无论是地球还是火星。同时，我们太阳系中的行星都被拉向太阳的中心。更远一点，我们银河系中心的巨大黑洞正在将整个太阳系拉得更近。在银河系之外，最大的拉力是来自最近的星系团。

Esquivel说：“你可以一直放大和放大和放大，看到时空织物不同深度的地方。”虽然重力是一种基本力量，但我们对它还有很多不了解的地方。例如，科学家没有将重力纳入粒子物理学的标准模型中，因为目前主流的重力理论——爱因斯坦的广义相对论——与标准模型不兼容。Esquivel说，虽然像“上”或“下”这样的标志有助于我们理解宇宙，但有时它们也会阻碍我们对基本物理学的理解。

她说：“我工作中最困难的事情之一就是试图跳出那些二元对立的思维方式，想象一个没有上下或前后或过去或现在的空间。”“有一种美丽的流动性我们必须与之接触，这很困难但也是工作中最有趣的部分。”

那么，在太空中如何确定方向呢？在地球上，我们可以用罗盘、地图、GPS等工具来帮助我们导航。但是在太空中，这些工具可能就不太管用了。例如，罗盘是利用地球磁场来指示南北方向的，但是在太空中，地球磁场就很微弱了。地图也需要一个参考系来确定位置和方向，但是在太空中，参考系可能会随着运动而变化。GPS则需要依赖卫星信号来定位，但是在太空中，卫星信号可能会受到干扰或者遮挡。

因此，在太空中导航需要用到一些更高级的技术和方法。例如，在国际空间站上，宇航员可以用一个叫做“星际导航系统”的仪器来确定自己的位置和方向。这个仪器可以通过观测恒星和其他天体来计算空间站相对于地球和太阳系的姿态和轨道。这个仪器还可以与地面控制中心通信，接收和发送数据。

另一个例子是，在月球表面行走的宇航员可以用一个叫做“月球激光反射器”的装置来导航。这个装置是由一些特殊的镜子组成的，它们可以反射从地球发射过来的激光束。通过测量激光束往返所花费的时间，科学家可以计算出月球表面上任何一点到地球上某个点的距离。这样就可以用三角测量法来确定月球表面上任何一点的位置。

当然，在太空中导航还有很多其他的方式和挑战。例如，在深空探索中，宇航员可能需要用到无线电波、引力波、X射线等其他类型的电磁波来与地球或者其他飞行器通信和定位。这些电磁波也会受到时空织物的扭曲，所以需要进行一些校正和修正。而且，由于电磁波在太空中传播有一定的速度，所以宇航员收到的信息可能会有一定的延迟，这也会影响他们的决策和反应。

在太空中导航还需要考虑一些人类的因素，比如心理和生理的适应。在太空中，我们失去了地球上习惯的重力、视觉、听觉等感觉线索，这可能会导致我们对方向和距离的判断出现偏差或者混乱。这就是为什么宇航员在太空中需要经过特殊的训练和模拟，以及使用一些辅助设备和软件，来提高他们的方向感和空间感。