從人類飛出地球的那天開始：研發火箭、登月行動、前進宇宙、太空漫遊……這是一本人類至今的太空探索成果報告，請過目！

蘇聯為何沒有登上月球？恆星總有一天會結晶成鑽石星球？
事情要從人類飛出大氣層的那天開始說起……

從只能仰望星空到可以俯瞰地球，人類到底做了多少努力？
一本書帶你綜覽太空探索的簡史！

▎「阿波羅11號」登月行動，指揮中心下的指令竟是……！
關於人類第一次登上月球的登月行動，一般人知道的都是第一位太空人阿姆斯壯、那留在月球表面上的腳印，以及流傳最廣的名言「個人的一小步，卻是人類的一大步」等等……但關於登月，還有一個可愛的小故事鮮為人知，在登月艙出發之前，休士頓地面指揮中心的通訊員與太空人有一段有趣的對話：

通訊員：「請注意一位名叫嫦娥的可愛姑娘，她帶著一隻大兔子，已經在那裡住了4,000年！」
太空人：「好的，我們會密切關注這位兔女郎。」

▎飛蛾撲火般的探測器──進入太陽軌道，想靠近卻怕受傷害
人類對於我們的恆星「太陽」仍有許多未解之謎尚待揭曉，太陽的活動也會對周遭行星產生各種影響，為了加深人類對太陽的了解，1990年NASA與歐洲太空總署發射了「尤利西斯號」探測器，其使命是近距離觀察太陽極區、研究太陽風特性，以及觀測日光層與太陽活動爆發等項目，而原先設定的壽命是五年，尤利西斯號卻在1995年完成任務後，持續觀測太陽到2007年，服役了18年9個月，見證了太陽活動從寧靜期到高峰期，又轉為低峰，為科學家們提供了大量有價值的觀測資料，謝謝尤利西斯號！

▎首位登上木星的三位大咖……是樂高小人偶！
誰能想到Lego竟然也能參與太空行動？！2011年發射升空的木星探測器「朱諾號」，是在「伽利略號」退役後第二個進入木星軌道的太空探測器，且按理來說一般太空船的每一克重量都要經過精密計算、取捨，但科學家們還是在朱諾號上載了三名成員，分別是：捧著望遠鏡和木星的伽利略樂高小人偶、手握閃電的朱比特小人偶，以及手持放大鏡的朱諾小人偶！相比普通的塑膠樂高，這組樂高是鋁製的，以便適應這趟太空之旅，因此成為了造訪木星的第一批地球訪客！

【本書特色】：
宇宙之浩瀚，人類從未停止過對其的嚮往與探索，哪怕是普羅大眾也對遙遠星系有無限好奇，本書從人類探索宇宙的第一步「研發火箭」開始談起，一直到美蘇冷戰時期的航太競爭、阿波羅11號登月，一直到後來不斷對太空發射出探測器等等，一點一滴揭開宇宙神祕的面紗，本書從地面開始，向讀者一一報告歷史上太空探索的所有成果！

張天蓉，科普作家，美國德州奧斯汀大學理論物理博士，現居美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、飛秒雷射、雷射探測晶體性質、高頻及微波通訊、EDA積體電路軟體等，發表專業論文三十餘篇。2012年開始出版了一系列科普著作，其文風深入淺出，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛，代表作品有《從骰子遊戲到AlphaGo》、《可以，這很科學》、《相對的宇宙，愛因斯坦的困惑》、《第一支火箭》、《宇宙零時》等。

引言　亮劍太空

從地球走向太空，是人類文明的一大進步。

飛天夢是人類自古以來就有的夢想。希望能像鳥一樣自由自在地在空中飛翔，是航空夢；到月亮上，進而探索莽莽河漢和浩瀚神祕的太空，是太空探險夢。這兩類夢想吸引無數英雄競相折腰，甚至為此犧牲，但人類仍然前仆後繼，勇往直前。

航空和太空探險，起源一致，但因理論和技術不同而分家，本書描述的是太空探險，而非航空。

人類自古不缺太空探險夢，從「嫦娥奔月」的神話想像，到「萬戶飛天」的身體力行，歷史文化中均有傳說和記載，甚至現代太空探險必不可缺的火箭技術，也源自於祖先的偉大發明。

20世紀中葉開始的美蘇「冷戰」，把人類拉進了太空時代。從1958年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，人類探索太空的腳步已經走了60多年的歷程。奔赴太空半個多世紀，托起人類千古一夢。其中不僅有科學家求知慾的滿足，也伴隨著時代變革的風風雨雨。從美蘇兩個超級大國在第二次世界大戰之後的人才爭奪戰開始，太空探險方面的科學技術發展迅猛，各國紛紛在太空亮劍，掀開了在科學、技術、軍事、政治各領域的全面競爭。這其中有成功的喜悅，也不乏失敗的教訓。

世界各國以千億、萬億資金投入，數萬人辛勤勞動以至付出生命代價的「太空探險工程」，為人類文明做了些什麼？人類對太空的眾星系有何更深入的了解？如今，借助於現代的高科技，我們該如何重新解讀太陽系和銀河系？如何認知太空中那些遙遠且形形色色的神祕天體？太空的探索與開發又怎麼改變人類的生活和思維方式？此外，在滿天繁星及太空探祕的背後，隱藏著哪些基本又有趣的物理知識？這些是本書作者希望引領讀者思考解決的問題。

然而，宇宙茫茫，星辰無數。除了億萬的自然天體之外，幾10年來，人類發射至太空的人造天體也已經上萬！因此，作者不可能面面俱到，只能帶領你在這個巨大星海旁的沙灘上，拾取幾顆美麗的貝殼。透過一些典型事例的介紹，讓讀者對基本太空探險知識，以及其中的物理原理有所了解。同時，也透過介紹人類太空探險史上一些妙趣橫生和震撼人心的故事，使讀者了解人類太空探險的簡要歷史輪廓。從古代的飛天傳奇，到世界各大國之間的太空爭奪戰，說明太空探險工程對人類文明社會的重要性。

也許有人會說，天上的星星固然美麗迷人，但離我們太遙遠。登陸月球、火星，那都是科學家和太空探險人員思索的事，與我們的日常生活有什麼關係呢？這實際上是對天文學及太空探險事業的誤解，姑且不談「理想」、「夢想」之類長遠而抽象的話題，太空中發生的很多事，是與人類生存息息相關的。天上的星星並非遙不可及，它們的運動和變化，無時無刻不影響我們的生活。

在美蘇太空競賽的年代，美國總統詹森（Lyndon Baines Johnson）說過：「控制了太空，便有能力控制天氣、乾旱和洪水，改變潮汐、提高海平面……這是比終極武器更重要的東西，這是從太空某處達到完全控制地球的最終目的。」

詹森這段話的意思就是，控制了太空，便意味著控制了世界的未來。

誰不願意控制未來呢？誰都不希望未來被別人控制！這就是為什麼世界各國都想發展太空探險事業，都紛紛想加入這個「太空俱樂部」中來分一杯羹。發展太空探險事業，將自己的國力展示他人，也亮劍於太空，這是現今每個大國的願望和共識。

現今的太空探險領域，已經不僅僅是美、俄兩國之爭。美國對太空的興趣一如既往，近幾年的探索重心已大大超出月球。而世界上許多國家也都紛紛宣布自己的太空探索計畫。俄羅斯的太空探險計畫停滯多年後，正在艱難重啟；日本將與美國合作載人登月項目；歐洲的太空探險計畫因金融危機擱置，但希望參與俄羅斯的月球探測項目；印度一直都關注太空探險事業的發展，以自主研發顯示其大國雄心，探索太空的步伐也從未停止。中國向來重視太空探險事業，從1970年發射第一顆人造地球衛星（「東方紅1號」），在太空響起「東方紅」開始，「長征」號運載火箭、神舟載人飛船、北衛星導航系統，還有「天宮」、「嫦娥」和「玉兔」，一系列太空探索計畫步步緊跟。太空探險時代已經到來，太空離我們並不遙遠！

沒有一門科學像「太空探險」這樣充滿幻想色彩。除了古代各種神話故事外，近現代的許多天文學家也都寫過科幻作品。太空探險科學的先驅者們，更是熱衷於將他們的太空探險想法，用科幻的形式表達出來，以便得到廣大民眾的認同。早在400多年前，天體力學的祖師爺，大家熟知的克卜勒（Kepler，1571～1630）就寫過一本既像科幻又像科學專著的作品（以《夢》為題發表），描述他想像中的星際之旅。

太空探險相關的科幻作品與天文、物理方面的科學論文，如同糾纏在一起的兩條環繞線，在互相促進和影響下前進。從克卜勒之後，特別是哥白尼的日心說站穩地位、牛頓又建立了古典力學（classical mechanics）之後，西方有關太空探險的科幻小說可以列出一大串。1657年，法國作家凡爾納出版的科幻小說《月球之旅》中，已經非常超前地討論了七種登月的方法，前六種都失敗了，只有第七種「爆竹產生的煙火」成功了。凡爾納並非科學家，卻偶然地預言了牛頓直到半個世紀後才總結出的「作用力與反作用力原理」。在阿西爾．埃羅（Achille Eyraud）於1865年出版的《金星之旅》（Voyage to Venus）中，主角也發明了一種利用水的反作用力將飛船推入太空的動力裝置。作者在書中還用手槍的後座力來生動地說明反作用力的由來。從原理上來說，現代的火箭和書裡的「水箭」並沒有本質上的差別，只不過是噴射的物質不同罷了。當年文學作品的想像力大大超越了科學技術能達到的現實，更為可貴的是，17～18世紀的科幻作家們，在其作品中表現出的那種認真思考科學原理的求實精神。

如今，在現代新一輪的太空探險競賽中，怎樣才能發揮各國現有的優勢，盡快縮小與先進國家的差距，走出自己獨特的太空探險技術之路呢？這其中除了專業人士的努力外，廣大民眾的理解與支持也必不可少。因此，向大眾科普太空探險知識，讓民眾能更熟悉太空、了解太空探險，是科學工作者的任務，也是本書作者的初衷。

航太學是一門有趣的學科，但實際的工程發射過程卻充滿危險和挑戰，特別是載人的太空探險。太空畢竟是一個與人類地球家園迥異的環境，我們要適應太空、克服人體的各種不良反應等，對此，科學家們做了許多研究。此外，載人的太空船，其發射和返回過程危險性很大，太空探險史上有過幾次大事故，作者也會加以介紹，讓人們能以此為鑑。

迄今，因為太空船的速度所限，現代的太空探險技術主要只是探索太陽及太陽系中的八大行星。因此，作者僅對太陽系幾個主要行星及它們的幾個典型有趣的衛星物理規律和特點做基本介紹，帶領讀者星海拾趣。人類最感興趣且去探測的是哪些星球？為什麼對它們特別看待？哪幾個星球與地球的環境最為類似？在這些天體上是否探測到任何生命存在的跡象？如果地球突然發生大災難，人類有移民其他星球的可能性嗎？

此外，現今飛得最遠的「航海家」1號探測器（Voyager 1）被認為剛抵達太陽系的邊界。但透過望遠鏡，人類卻已經觀察到了廣博的宇宙。作者也將對哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）及韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）略作介紹。

為了增加可讀性，作者以「二戰」後美蘇的太空競爭為線索，插入一些當事人和研究者的逸聞趣事，再將太空探險方面的科學技術發展穿插其中，讀故事、長知識，讓讀者在輕鬆閱讀故事的過程中，學習太空探險知識。

十分有趣的是，除了人類社會中的各個大國在進行太空爭奪戰之外，宇宙中的各個天體雖然本是沒有意識的非生命之物，它們之間卻似乎也在進行爭鬥。從物理學的視角來看，宇宙間存在四種基本交互作用，其中強交互作用和弱交互作用只在微觀的範圍內產生作用，它們可以影響每個星體內部結構中的物理過程，但與天體之間的運動關係不明顯。其他兩種力：引力和電磁力，都是長程力，對天體的交互運動產生重要的作用。宇宙中大大小小、形形色色的天體運用它們各自的引力和電磁力，像是在互相搶地盤，大星吞小星、小星撞大星，用物理規律展開一場無言的戰爭。對此，作者描述了宇宙中一幅十分有趣的物理圖景。

該書的讀者可定位在各個領域的大學生、碩博士生，對天文學、太空探險、物理學等感興趣的國、高中生等。然而，太空探險技術及其探索目標――「太空」之謎，對各個階層和領域的讀者，都具有極大的誘惑力。本書沒有數學公式，因而適合所有愛好科學的廣大讀者閱讀，包括各年齡層的文科讀者。

本書作者既是物理學者，又是科普作家，物理概念清晰，文字功底深厚，表述深入淺出，比喻恰到好處。作者善於使用通俗的解釋、流暢的語言、直觀的圖像來說明深奧難懂的物理內容。

閱讀本書，能讓讀者在以下幾個方面獲益：

透過介紹太空探險中的典型事例，滿足各個年齡層的人們對太空的好奇心，增長見識，啟發人們對地球、太陽系和人類未來的思考，吸引年輕人踏進科學技術、天體物理、航太工程的大門。

用通俗易懂的比喻；圖文並茂的解釋；幽默風趣的語言，引導讀者學習、思考和探索星體背後的物理現象，了解天體運行、恆星演化、宇宙變遷的基本物理規律。讓讀者體會大自然造物之巧，感受科學理論之美。

引言　亮劍太空
第一章　火箭研發
第1節　納粹潰退烽火滅絕　美軍挺進人才捕獲
第2節　古人愛做太空夢　大師練就理論功
第3節　戈達德飽受嘲諷　奧伯特見證登月
第4節　委以重任科羅廖夫　舉世無雙馮．布勞恩
第5節　蘇聯衛星發射搶先　美國落後心有不甘
第二章　登月之路
第6節　古月依然照今人　猶抱琵琶半遮面
第7節　雙子星計畫成功　蘇聯棟梁病逝
第8節　「阿波羅」載人月球漫步　N1火箭發射失誤
第9節　三體運動生混沌　引力助推盪鞦韆
第10節　氣象通訊科學研究忙　人造衛星立大功
第三章　星海拾貝
第11節　恆星也有生老死　太陽尚在中青年
第12節　大傘撐起地磁場　變幻莫測太陽風
第13節　「尤利西斯」英雄漢　太陽極區勤為探
第14節　離地最遠航海家　高速飛入寰宇中
第15節　望遠鏡九霄攬銀河　「哈伯」深空探宇宙
第16節　天體間的引力之戰　希爾球和洛希極限
第17節　鑽石星球價連城　無毛黑洞卻有熵
第18節　資訊悖論難解決　霍金軟毛論輻射
第19節　天文觀測尋黑洞　物理學者賭輸贏
第四章　航太漫談
第20節　氣態木星朱比特　巨大神祕行星王
第21節　欲為夫君揭面紗　全靠「朱諾」布羅網
第22節　廣義相對論太空驗證　探測引力波地面響應
第23節　潮汐鎖定共振曲　混沌自轉土衛七
第24節　「惠更斯」登上泰坦　「卡西尼」智探土星
第25節　木星周圍伴侶多　土星腰間環帶美
第26節　夢想殖民火星　大難臨頭逃生
第27節　太空之路不平坦　失誤釀成大災難

第1節 納粹潰退烽火滅絕　美軍挺進人才捕獲

我們的故事開始於一個不早不晚的年代。1945年5月2日，也就是希特勒夫婦在地堡內自殺後的第三天，第二次世界大戰已經接近尾聲，雖然日本還未投降，仍在做垂死掙扎，但戰爭勝負的大局已定，不可逆轉。

德國南部的阿爾卑斯山區，一個頗有特色，叫做奧柏安梅高（Oberammergau）的小鎮附近，遠望高山巍峨、雪峰挺拔；近看湖水碧秀、綠草如茵。這裡氣候宜人、風景似畫，使人難以想像到如此美景也曾被戰火硝煙所糟蹋。那天，美軍第44步兵師的一隊偵察兵正在執行巡邏任務，忽然看見兩輛腳踏車從山上緩緩而下……。

來者之一帶有一口濃重德國腔調的蹩腳英語，結結巴巴地向士兵說明他的哥哥是誰：「V-2飛彈……設計師……馮．布勞恩……要投降……」

當時沒人不知道V-2飛彈，那是讓盟軍不寒而慄的新型終極致命武器！希特勒為了加速戰爭最後的進程，聚集科學家和工程師們，於德國的佩內明德陸軍和空軍試驗基地，成功研製出V-2飛彈，並在多處地下工廠大量生產。

就在不到一年之前，1944年9月8日清晨6點，泰晤士河邊一聲巨響，1t多的炸藥從天而降，驚醒了無數睡夢中的倫敦人。可是，天上並沒有看見德國的轟炸機啊！原來這些重磅炸彈是來自於300km之外荷蘭海牙的德軍基地，炸彈的攜帶者就是V-2飛彈，它花了不到6分鐘就飛越了英吉利海峽，神出鬼沒地在倫敦爆炸。之後短短的6個月內，瘋狂的納粹德國接二連三地發射了3,745枚V-2飛彈，其中有1,115枚擊中英國本土，共炸死2,724人，炸傷6,476人，並對建築物也造成相當大的破壞。此外，攻擊比利時的V-2飛彈造成6,500人死亡，傷者數萬。正是「鐵球步帳三軍合，火箭燒營萬骨乾」。

當然，現在我們仔細一算，這造價昂貴（12萬馬克）(1)的V-2飛彈實在太不划算，效率極低，平均一個飛彈才炸死2、3人，由此也足以證明，當時德軍困獸猶鬥的瘋狂勁頭。無論如何，這門武器因為不易被攔截，而造成當年的歐洲社會人心惶惶。此外，希特勒為了盡快製造出充足的V-2飛彈，建立地下工廠來批量生產，殘酷地壓榨猶太人和抓來的普通勞工。據說為生產飛彈而累死的勞工就有數萬人，比轟炸敵國炸死的人還要多。

V-2武器未能挽回德軍的敗局，但它拉開了新式作戰的序幕，無疑是一項重大的軍事技術突破。艾森豪（Dwight David Eisenhower）在回憶錄中說：「如果德國人提早6個月完善並使用這些武器的話，我們要進入歐洲將極端困難，甚至是不可能的。」為此，當年的盟軍迫切希望獲得V-2飛彈，四處尋找這個項目背後的科學家。

沒想到這一天，研製V-2飛彈的頂級專家卻自己送上門來，正是「踏破鐵鞋無覓處，得來全不費功夫」，美國人不由得樂在眉尖、喜上心頭：「哦！歡迎你們投降，用你們的技術為美國效勞。」

兩位來訪者早就準備好了說辭：「統帥們不希望我們落入史達林手中，於是在3月就要求我哥哥（即馮．布勞恩）和他手下的500名科學研究人員，帶著大量資料離開科學研究基地，躲避正在逼近的蘇聯紅軍……我們手中有大量的資料、技術和人才，也願意服務於美國，但條件是希望能得到善待。」

這還有什麼好說的？雙方很快便達成協議，並找到了藏身於高級別墅、正在欣賞山間美景的馮．布勞恩。這位著名的火箭專家被俘時才32歲，年輕帥氣、英姿勃發，但因為不久前出車禍，手上還打著石膏繃帶（與戰爭無關）。面對荷槍實彈的美國兵，布勞恩說了一句話，但語氣中仍帶有德國科學家那種慣有的驕傲：「我們雖然戰敗了，但我們開創了全新的戰爭模式。你們來找我，就是為了得到這種技術。」

德國的納粹分子對人類犯下不可饒恕的滔天罪行，但德國科學家毫無疑問對科學技術的進步做出了重要的貢獻。第二次世界大戰除了戰場上的較量外，雙方在科技上也明爭暗鬥，打著另一場戰爭。對核物理學的研究，最後導致原子彈武器的開發，是另一個著名的例子。

希特勒對猶太人的迫害，使大批猶太裔科學家抵達美國，其中也包括愛因斯坦。這些從魔掌下逃離的物理學家們，關注到德國在核研究方面的動向，由愛因斯坦出面向美國報告，說德國科學家已經掌握了鈾的原子分裂（裂變）技術，即製造原子彈的第一步。如此才使美國政府開始意識到，若希特勒擁有這項技術，將帶給世界前所未有的災難，因而投資20億美元啟動了研發原子彈的「曼哈頓計畫」。最終該計畫獲得成功並用於實戰，縮短了戰爭的進程。

德國人的原子彈研究最終未成正果，著名物理學家海森堡曾經參與其中。就在布勞恩的兄弟與美國士兵商談投降事宜的第二天，美軍在海森堡的家中抓獲了他。

德國已經崩潰，戰爭即將結束，與科技相關的競爭逐漸轉化成同盟國之間暗地爭奪德國人才的鬥爭。美國在1945年初啟動了「迴紋針」行動，蘇聯也相應實施了所謂「麵包換人」的計畫。

蘇軍原本在最後的德國戰場上占盡先機，曾在1945年1月直接威脅到離德軍火箭研製基地不遠的地帶。蘇軍還在波蘭的荒野中發現了一些被德軍丟棄的V-2飛彈外殼，他們立即將其送回莫斯科進行研究。

1945年3月，美軍開進波昂，波昂大學的科學家們將一些相關資料撕碎丟進馬桶中，但來不及處理堵塞的馬桶就紛紛逃離了。一個波蘭籍衛兵發現了馬桶中的碎紙片，將它們全部掏出，交給了美軍。最後，這些殘存的碎紙片組成了一份包含德國科學研究計畫摘要和1,500多名科學家、高級技術人員名單及家庭地址的重要文件，這份名單為美國找到這些科學家的「迴紋針」行動，提供了非常大的幫助。

在軍方授權下，匈牙利裔美國工程師和物理學家馮．卡門（von Kármán，1881～1963）組建一支由36位專家組成的調查團，前往德國考察，其中包括他最得意的學生錢學森。馮．卡門等也審問過主動投降的布勞恩等人，考察了火箭技術後，得出了在該領域德國已領先美國10年的結論。錢學森在此行中獲益匪淺，後來他衝破阻礙回到中國，成為「兩彈一星」的元勛級人物。

馮．布勞恩（von Braun，1912～1977）出生於德國普魯士境內，其父母、家族都有歐洲王室血統。其母在馮．布勞恩接受宗教洗禮之後，贈與他一臺望遠鏡，從此布勞恩迷上了浩瀚星空，立志研究能一飛衝上太空的火箭。戰爭成全了他的理想，也改變了他的命運。1932年，布勞恩在20歲時，就被任命為德國首位導彈試驗場液體火箭研發項目的技術負責人。

他的夢想指向太空，但命運卻讓他擊中了倫敦，殺害了不少無辜的民眾。正如他在聽到倫敦被擊中的消息後說：「火箭工作正常，除了登陸在錯誤的星球上。」

火箭的工作原理和飛機不一樣。飛機在飛行時受到4個力的作用：動力（即發動機產生的推力）、阻力、升力、重力。這裡與地面交通工具不一樣的是，飛機需要一個向上的「升力」，才有可能飛到天空中去。

升力是飛行不可或缺的重要元素，它是如何產生的呢？飛機的升力與機翼截面的形狀密切相關，是透過機翼上下表面氣流速度的差異而產生的。如果將機翼沿飛行方向縱向剖開，得到的機翼剖面是一個上拱下平的形狀。當空氣流過機翼時，氣流沿上、下表面分開，最後在後緣處匯合。上表面彎曲，氣流流過時走的路程較長；下表面平坦，氣流走的路程較短。根據伯努利原理（Bernoulli's principle），上表面的氣流速度快而壓力小，下表面低速氣流對機翼壓力較大，就產生了一個上、下表面之間的壓力差，也就是向上的升力。因此飛機是憑藉空氣動力學原理獲得升力而飛行的，所以飛機只能在大氣層中飛行，不可能飛到沒有大氣的太空中。

火箭的工作原理不同於飛機，對火箭而言，無論是上升或前進，在任何方向得到加速度，靠的都是尾部氣體噴出後產生的反作用力。作用與反作用定律就是物理學中為人熟知的牛頓第三定律。它說的是，反作用力總是與作用力相等，作用在不同的物體上。在火箭的情況下，燃料與氧化劑混合燃燒後產生的大量氣體從火箭尾部向後噴出，如果將氣體後噴的力當作作用力，它的反作用力則作用在火箭主體上，推動火箭向前。因此，由於火箭自身攜帶燃料和氧化劑，既不需要空氣來產生升力，也不需要空氣中的氧氣幫助燃燒，故適合在太空環境下工作。