实验室中的“弯曲”空间
理论上虽能推导出“太空游泳”指南 ， 但如何在实验上验证这一奇异现象成为了巨大的挑战 。 显然 ， 人类目前还无法在黑洞附近进行实验 。
近期在《美国科学院院刊》上发表的一项研究中 ， 美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）与其他高校合作的研究团队 ， 在实验室中构建了弯曲时空的模型 。 你可能会很好奇 ， 人类如何能在实验室中“弯曲”时空？
事实上 ， 弯曲空间中的奇特运动不仅会发生在被物质扭曲的空间中 ， 还可以等效为物体在曲面上的运动 。 由此 ， 研究团队巧妙地搭建了一个能改变自身形状的机器人——“游泳者” ， 它可以在弯曲表面上自由移动 。
球面“游泳者”与柱面“游泳者”：由可调底座、空气轴承、动力臂、弯曲轨道和四个伺服电机配重构成
如上图所示 ， “游泳者”机器人的骨架是两个垂直交叉的弯曲轨道 ， 四个能精确控制速度和位置的电机可在轨道上自如移动 。 整个机器人通过一根空气轴承与固定的底座相连 ， 由于空气轴承的摩擦系数极低 ， 理论上“游泳者”在变换电机位置的过程中 ， 就能主动绕着空气轴承在水平面上发生转动 。 调整交叉轨道的曲率以及机器人绕轴承转动的半径 ， 就相当于调节了“游泳者”所处的空间曲率 。 上图中 ， 研究人员正是通过调节垂直方向的轨道曲率 ， 搭建出了两位勇士——球面“游泳者”与柱面“游泳者”（上图右上的虚线框中） 。
电机配重与球心的夹角组合变换；以及机器人运动位移的定义：整体偏离初始位置的角度 。
违反直觉的“游泳者”
根据理论推导 ， 球面“游泳者”的四个电机配重需要按照上图a的顺序循环变化位置 。 由于转动限制在水平面上 ， 可以最大程度地减少摩擦力与重力对运动过程的影响 。 而调节重物的位置 ， 其实对于整个机器人而言 ， 就相当于变换形状 。 观察图a1到图a5的变化 ， 很明显 ， 球面“游泳者”经过一个形状变换周期 ， 成功地推动自身在水平面上绕轴挪动了一小步 。
而实验也给出了基本一致的结果 。 “理论预测的现象发生了 ， 它是如此的违反直觉：随着机器人改变自身形状 ， 它会以与环境相互作用无关的方式 ， 主动在球面上运动 。 ” 这项研究的负责人 ， 佐治亚理工学院的物理学家泽布·洛克林(Zeb Rocklin)说道 。
没有外力参与的情况下 ， “游泳者”仅靠自身的形变 ， 在4分钟内绕轴转动了肉眼可见的角度 。
乍看之下 ， 这的确让人不解 。 但这就好像在停车位里调整车辆位置 ， 我们重复数次驶出、转向、倒回的循环 ， 就能实现微小的侧向平移 。 停车过程中 ， 我们会驶出一段距离 ， 最终还会返回；我们会改变方向 ， 最终也会恢复；而我们改变的侧向位置 ， 却是无法回到初始的变化 。 弯曲空间的形变运动也是一样 ， 周期性变换中看似所有参数在循环中都保持不变 ， 但这其中存在一个变量——几何相位 ， 它会在周期运动中累积 ， 表现为空间上的位移 。
有趣的是 ， 研究人员发现 ， 虽然水平方向上不存在外力驱动 ， 但是形变引发的转动位移会导致轴承上微小的摩擦力累积起来 ， 为机器人积攒反向动量 。 在停止周期性形变后 ， 机器人会在反向动量的作用下转回初始位置 。
不过太空中的宇航员倒不必担心这个问题（没有摩擦） ， 发现身处弯曲空间后 ， 他们首先最需要的是 ， 找到适合自己身体的周期性“变形”方案 。 很遗憾 ， 由于人类身体质量的分布相对均匀 ， 并不像“游泳者”模型 ， 在四肢末梢拥有配重块 ， 这意味着我们通过伸展、收缩四肢调节转动惯量的效率会很低 。
显然 ， 人类注定无法成为太空中的“游泳健将” 。 但好消息是 ， 曲率更大的弯曲空间可以帮助我们提升效率 ， 前提是身处其中的人类能承受更强的扭曲拉伸感 。 没错 ， 在弯曲的空间里 ， 我们需要克服的不再是重力 ， 而是努力“掰弯”我们身体、使头和脚沿不同方向运动的力 。
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