『エクスパンス』における加速する宇宙船の物理学

SFがお好きなら、ぜひ『エクスパンス』という作品をおすすめします。舞台はそう遠くない未来、まさに私たちの太陽系内。ピューピューレーザーも、超光速の宇宙旅行もありません。宇宙船に乗っている人間は、「浮遊」するか、磁気ブーツを使うかのどちらかです（宇宙船が加速している時を除く）。『エクスパンス』には「慣性ダンパー」も登場しません。それだけでなく、魅力的なキャラクターと魅力的なストーリー展開も魅力です。私はこの作品が好きです。

結局のところ、『エクスパンス』はSyFyネットワークで全3シーズン放送されましたが、シーズン4への更新はされませんでした。私の計画は、『エクスパンス』に関する物理学の記事を書いて、他のスタジオに引き継いでもらうことでした。どうやら私の計画は既に成功しているようです。Amazon Studiosが引き継ぐかもしれないのですから。願わくば。

さて、物理学の話に移りましょう。エプスタイン・ドライブの発明を描いた回想シーンを見てみましょう。基本的な考え方は、宇宙船がある種の核融合ロケットを使用していて、ある男がそれをより「効率的」にする方法を考案したというものです。つまり、より少ない燃料でより大きな推力を得るということですね。しかし、なぜパイロットは加速中に手を動かせないのでしょうか？

一見全く関係のない実験から始めましょう。低摩擦のトラックに2台の車が停まっています。ただそこに停まっているだけです。トラックは水平で、車は動いておらず、加速もしていません。退屈ですが、重要な実験です。

この2台の車には磁石のバンパーが付いていることを指摘しておきます。この磁石は、車が近づくと押し離す力を持っていますが、今は十分に離れているため、力は発生していません。この磁石のバンパーはバネのようなものだと考えてください。本当はバネを使うつもりだったのですが、適当なものが見つからなかったのです。

この2台の車は人間の体の一部を表しています。この2台の車の間には「圧縮」がないため、人間は「無重力」を感じることになります。この人間は大きな重力物体から遠く離れた宇宙の奥深くにいるため、実際には無重力状態にあるのです。

地球上に人間が立っているとしたらどうでしょうか？ 同じ2台の車ですが、線路は少し傾斜しています。赤い車の動きを妨げる大きなブロックがあります（これは地球の床のようなものです）。

この場合、2台の車が接近しているという点だけが唯一の違いです。赤い車が青い車を「押し上げる」ためには、「磁気バネ」がいくらか圧縮されている必要があります（これは私の紙製スケールで確認できます）。この場合、人間は無重力状態を感じることはありません。人間は普通に感じるでしょう。

人間の感覚を再現したモデルを作ろうとしていることがお分かりいただけたでしょうか。この2台の車の間の距離は、少なくとも重さに関して、人間が「感じる」感覚を測る尺度です。

次のケースの準備はいいですか？この2台の車を水平な線路に置き、片方の車を指で押して加速させたらどうなるでしょうか？こんな感じです。

青い車を右に押して加速させています。では、赤い車はどうでしょうか？赤い車も右に加速しますが、私が押しているわけではありません。赤い車は、2台の車の間にある「磁気バネ」によって加速しているのです。

これは、加速する車（実際の車）に人が乗っているときに起こる現象です。シートが人を押し上げ、次に人体の各部が互いに押し合います。加速する車に乗ったことがあるでしょう？どんな感じかご存知でしょう。まるで車が後ろに傾いているような感覚です。この加速は、まさに重力と同じような感覚です。なぜなら、両方の体の部分の間にあるバネが圧縮されるからです。そして、これがアインシュタインの等価原理です。加速する基準系は重力場と等価です。

エプスタイン・ドライブの圧倒的な加速に対する答えはこれです。宇宙船の加速は、超高重力場のようなものです。地球の表面では、重力場は1キログラムあたり9.8ニュートン（9.8 N/kg）の質量を引き下げます。重力場の記号は「g」なので、これを「1g」と呼びます。これは9.8 m/s ²の加速度に相当します。つまり、8gを感じるということは、地球上で体重の8倍の惑星にいるのと同じことになります。つまり、通常5ニュートンの手は、40ニュートン（1ポンドから8ポンド）の重さを感じることになります。

もちろん、加速中の宇宙船を停止させるには、手だけでは不十分です（特に音声コマンドを無効にしている場合はなおさらです）。腕全体の通常の重量は35ニュートン（8ポンド）ですが、実際には284ニュートン（64ポンド）の重さに感じられるかもしれません。64ポンドのダンベルを持ち上げられる人もいるかもしれませんが、火星に住む人間にはおそらく無理でしょう。火星表面の重力はわずか3.8N/kgです。つまり、火星で動き回るのに地球ほど強い力は必要ありません。

でもちょっと待ってください！人間が重さをどのように感じるかを示す例がもう1つあります。トラック上の2台の車に戻りましょう。もしこれらの車が坂を転がり落ちて加速したらどうなるでしょうか？その様子はこんな感じです。

ここでは、どちらの車も、私が片方の車を押したときとほぼ同じ値まで加速しています。ただし、磁気バネは圧縮されていません。この状況は、自由落下中の人や軌道上の宇宙飛行士など、床のない重力場にいる人間を表しています。どちらの場合も、人間には重力がかかっていますが、この重力が人間を加速させます。重力による加速と他の力による加速には大きな違いがあります。2 台の車では、重力が両方の車を引っ張って加速させます。圧縮された磁気バネがなくても、もう一方の車 (これらの車は体の一部を表していることを思い出してください) を加速できます。バネの圧縮がないため、あなた (人間) は無重力を感じることになります。そしてそうです、宇宙には確かに重力があるにもかかわらず、宇宙飛行士が軌道上で無重力を感じるのはこのためです。

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