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九天攬月:太空探索史話(簡體書)
人民幣定價:59.8元
定  價:NT$359元
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商品簡介

作者簡介

名人/編輯推薦

目次

書摘/試閱

擺脫地球引力的羈絆,飛向太空,是人類自古以來的夢想。多少人為這個夢想而努力,前仆後繼,勇往直前。人類探索太空的歷史注定是一場充滿勇氣和挑戰、冒險與榮耀、永無止境的征途。
本書為大家展示這場征途中人類都做了哪些了不起的事情,人類文明有哪些改變.通過介紹妙趣橫生和震撼人心的故事,使讀者認識人類航天的歷史脈絡,從古代的飛天傳奇到大國之間的太空探索競賽,同時也讓讀者理解探索太空對人類、國家和個人的現實意義。
作者不只是停留在航天知識和歷史,帶讀者走進更寬廣的物理和宇宙圖景,讓讀者了解人類對星辰大海有何更深入的理解?如何重新解讀太陽系和銀河系,如何認知那些遙遠的神秘天體。以及太空探索如何改變人類的生活和思維方式?
本書面向對天文、航天、物理、宇宙感興趣的青少年,滿足他們對太空的好奇心,增長見識,啟發他們對地球、太陽系和人類未來的思考。


張天蓉,女,四川成都人。著名科普作家,美國德州奧斯汀大學理論物理博士。研究方向黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、高頻及微波通訊的EDA集成電路軟件等。發表專業論文三十餘篇。所著科普著作《永恒的誘惑:宇宙之謎》入圍2016中國好書獎,並獲得科技部2017全國優秀科普作品獎。


◆章回小說一樣的精彩,兩小時縱覽人類航天趣史

◆阿波羅登月到底是咋回事?

◆地球人類在宇宙中是否獨一無二?

◆火星能否成為人類的第二家園?

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。希望能像鳥兒一樣自由自在地在空中飛翔,是航空夢;到月亮上去,進而探索莽莽河漢和浩瀚神秘的太空,是航天夢。這兩類夢想吸引著無數英雄競折腰,甚至為此犧牲,但人類仍然前仆後繼,勇往直前。
航空和航天,起源一致但因理論和技術不同而分家,本書描述的是航天而非航空。
中國人自古不缺航天夢,從“嫦娥奔月”的神話想象,到“萬戶飛天”的身體力行,歷史文化中均有傳說和記載,甚至現代航天中必不可缺的火箭技術也源自我們祖先的偉大發明。
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過了近 60 年的歷程。奔赴太空半個世紀,托起人類千古一夢。其中不僅有科學家求知欲的滿足,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,航天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。
這個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“航天工程”,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理解?如今,借助於現代的高科技,我們如何重新解讀太陽系和銀河系、如何認知太空中那些遙遠而且形形色色的神秘天體?太空的探索與開發又如何改變了人類的生活和思維方式?此外,在滿天繁星及航天探秘的背後,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,幾十年來,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。通過一些典型事例的介紹,讓讀者對基本航天知識以及其中的物理原理有所了解。同時,也通過介紹人類航天史上一些妙趣橫生和震撼人心的故事,使讀者認識人類航天的簡要歷史輪廓。從古代的飛天傳奇,到世界各大國之間的太空爭奪戰,說明航天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,那都是科學家和航天員考慮的事,與我們的日常生活有什麼關係呢?這實際上是對天文學及航天事業的誤解,姑且不談“理想”“夢想”之類的長遠而抽象的話題,太空中發生的很多事情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在影響著我們的生活。
在美蘇太空競爭的年代,美國總統林登•約翰遜曾經說過:“控制了太空,便有能力控制天氣、幹旱和洪水,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。”
約翰遜這段話的意思就是說,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?誰也不希望未來被別人控制!這就是為什麼世界各國都想要發展航天事業,都紛紛想加入這個“太空俱樂部”中來分一杯羹。發展航天事業,將自己的國力展示於他人,也亮劍於太空,這是如今每一個大國的願望和共識。
如今的航天領域,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了自己的太空探索計劃。俄羅斯的航天計劃停滯多年後正在艱難重啟;日本將與美國合作載人探月項目;歐洲的航天計劃因金融危機擱置,但希望參與俄羅斯的月球探測項目中;印度一直都關注航天事業的發展,自主研發顯示了其大國雄心,探索太空的步伐也從未停止。
中國從來就重視航天事業。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、北斗衛星導航系統,還有“天宮”“嫦娥”和“玉兔”,一系列太空探索計劃步步緊跟。航天時代已經到來,太空離我們並不遙遠!
沒有哪一門科學像“航天”這樣充滿了幻想色彩。除了古代各種文化中的神話故事外,近現代的許多天文學家也都寫過科幻作品。航天科學的先驅者更是熱衷於將他們的航天思想用科幻的形式表達出來,以便容易得到廣大民眾的認同。早在 400 多年前,天體力學的祖師爺,大家熟知的開普勒(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),描述他想象中的星際之旅。
航天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。從開普勒之後,特別是哥白尼的日心說站穩地位、牛頓又建立了經典力學之後,西方有關航天的科幻小說可以列出一大串。1657年,法國作家貝爾熱拉出版的科幻小說《月球之旅》中,已經頗為超前地討論了 7 種登月的方法,前6種都失敗了,只有第 7 種“爆竹產生的焰火”成功了。貝爾熱拉並非科學家,卻偶然地預言到了牛頓直到半個世紀之後才總結出的作用與反作用原理。在阿西爾•埃羅於1865年出版的《金星之旅》中,主人公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坐力來生動地說明了反作用力的由來。從原理上來說,現代的火箭和書裡的“水箭”並沒有本質區別,只不過是噴射的物質不同罷了。當年文學作品的想象力大大地超越了科學技術能達到的現實,更為可貴可贊的是 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航天競賽中,如何才能發揮中國現有的優勢,盡快縮小與先進國家的差距,走出自己獨特的航天技術之路呢?這其中除了專業人士的努力之外,廣大民眾的理解和支持也必不可少。因此,向公眾科普航天知識,讓老百姓更多地熟悉太空、了解航天,是科學工作者的任務,也是本書作者的初衷。
航天學是一門有趣的學科,但實際的工程發射過程卻充滿了危險和挑戰,特別是載人航天。太空畢竟是一個與人類的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,載人航天器的發射和返回過程危險性很大,航天史上有過幾次大事故,作者也會加以介紹,使人們能以此為鑒。
迄今為止,因為航天器的速度所限,現代的航天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的物理規律和特點做了基本介紹,帶領讀者星海拾趣。人類最感興趣且派去探測器的有哪些星球?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,如今飛得最遠的“旅行者”號探測器被認為剛剛抵達太陽系的邊界。但通過望遠鏡,人類卻已經觀察到了廣博得多得多的宇宙。作者也將對哈勃空間望遠鏡及韋伯空間望遠鏡略作介紹。
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,再將航天方面的科學技術發展穿插其中,讀故事、長知識,讓讀者在輕松閱讀故事的過程中學習航天知識。
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著爭斗。從物理學的視角看,宇宙間存在 4 種基本相互作用,其中強相互作用和弱相互作用只在微觀的尺度範圍內起作用,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,對天體的相互運動起著重要的作用。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、占山頭,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。
該書的讀者可定位於各個領域的大學本科生、研究生,對天文學、航天、物理學等感興趣的初、高中學生等。然而,航天技術及其探索目標——“太空”之謎,對各個階層和領域的讀者,都具有極大的誘惑力。本書中沒有數學公式,因而適合所有愛好科學的廣大讀者閱讀,包括各個年齡層次的文科讀者。
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、直觀的圖像來解釋深奧難懂的物理內容。
閱讀本書,能使讀者從如下幾個方面獲益:通過介紹航天中的典型事例,滿足各個年齡階層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、航天工程的大門。
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、恒星演化、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。


目錄
第一章 火箭研發 // 1
第1節 納粹潰退烽火滅絕 美軍挺進人才捕獲 // 2
第2節 古人愛做太空夢 大師練就理論功 // 11
第3節 戈達德飽受嘲諷 奧伯特見證登月 // 18
第4節 委以重任科羅廖夫 舉世無雙馮•布勞恩 // 24
第5節 蘇聯衛星發射搶先 美國落後心有不甘 // 30
第二章 登月之路 // 39
第6節 古月依然照今人 猶抱琵琶半遮面 // 40
第7節 雙子星計劃成功 俄羅斯棟梁病逝 // 52
第8節 “阿波羅”載人月球漫步 N1 火箭發射失誤 // 61
第9節 三體運動生混沌 引力助推蕩秋千 // 68
第10節 氣象通信科研忙 人造衛星立大功 // 81
第三章 星辰大海 // 89
第11節 恒星也有生老死 太陽尚在中青年 // 90
第12節 大傘撐起地磁場 變幻莫測太陽風 // 100
第13節 “尤利西斯”英雄漢 太陽極區勤為探 // 109
第14節 離地最遠旅行者 高速飛入寰宇中 // 121
第15節 望遠鏡九霄攬銀河 “哈勃”深空探宇宙 // 129
第16節 天體間的引力之戰 希爾球和洛希極限 // 138
第17節 鉆石星球價連城 無毛黑洞卻有熵 // 144
第18節 信息悖論難解決 霍金軟毛論輻射 // 155
第19節 天文觀測尋黑洞 物理學者賭輸贏 // 168
第四章 航天漫談 // 173
第20節 氣態木星朱庇特 巨大神秘行星王 // 174
第21節 欲為夫君揭面紗 全靠“朱諾”布羅網 // 186
第22節 廣義相對論太空驗證 探測引力波地面響應 // 198
第23節 潮汐鎖定共振曲 混沌自轉土衛七 // 211
第24節 “惠更斯”登上泰坦 “卡西尼”智探土星 // 223
第25節 木星周圍伴侶多 土星腰間環帶美 // 235
第26節 夢想殖民火星 大難臨頭逃生 // 247
第27節 太空之路不平坦 失誤釀成大災難 // 260
參考文獻 // 272


航天器被運載火箭推向太空之後,就變成了一顆“星星”。也就是說,僅僅從引力的角度看,它們可以和其他宇宙中的自然天體一樣,遵循引力定律而在一定的軌道上運動。不同的是,只要它們還能與地球通信,只要它們的引擎能啟動,還有足夠的燃料,發射它們的地球人就還有可能控制和改變它們的運動。就像飛上藍天的風箏,飛得再高,也還有一根牽連的細線被主人抓在手上!所以,太空中的航天器有兩種基本的運動方式:自由飛行段和主動飛行段。

前者指的是按照引力規律自由運動的階段,比如說衛星繞著地球轉圈就是不需要引擎的。後者則指航天器上的發動機點火階段。什麼時候需要將發動機點火呢?那是需要將航天器從一個軌道做一點改變,或者是“跳”到另一個軌道的時候。比如說,要從環繞地球的軌道“跳”到環繞月球的軌道。這種情況一般不會自動發生,需要人為地“遙控”、預先設定,或者由宇航員操作。這種人為點火而改變運行軌道的技術,稱作“軌道機動”。既然是人為地改變,就要達到各種不同的目的,因此軌道機動實際上包括了軌道轉移、軌道交會、軌道保持和修正、改變軌道平面等不同的目的。再以剛才說的人造地球衛星為例,

雖然衛星繞地球轉不需要引擎,但時間長了後,因為攝動力的原因,軌道可能會偏離我們的要求,這時候就可能需要人為的“機動”來進行修正。發射到遠處星球的航天器就更不用說了,漫長征途中需要多次“變軌”。

軌道機動除了改變軌道之外,還可以控制航天器的方向和“姿態”以達到某種目的,這點在載人航天返回地球或降落到月球和其他星球時特別重要。就像飛機一樣,保持正確的姿態才能安全著陸,否則後果便不堪設想了。

因此,航天器比天然星體更具優越性,因為它們的軌道可以人為地進行選擇。但這個優越性是以“攜帶燃料”作“機動”換來的。航天器能夠攜帶的燃料有限,因此,航天器的軌道設計者便希望能更多地利用“自然飛行”,盡量少作機動。這其中用得很多的方法叫作“引力助推”。

1. 引力助推

如果有人問你,人類飛向太空的第一阻力是什麼?大多數人會不約而同地回答:是引力。的確如此,人類實現飛天夢的最大困難就是克服地球的引力。我們從中學物理中就學到了如何計算幾個宇宙速度,那是人類擺脫地球或太陽引力的束縛衝向太空的幾道門檻:如果達到第一宇宙速度(7.9 km/s)能讓物體圍繞地球旋轉;如果達到第二宇宙速度(11.2 km/s)便可以克服地球引力,繞著太陽轉;第三宇宙速度(16.7 km/s)標志著能夠擺脫太陽的引力羈絆。

不過,想跨越這幾個門檻談何容易?人類努力了幾十年,迄今為止發射速度最快的航天器“新視野號”(new horizons),2006 年發射時相對地球的速度為16.26 km/s,尚未達到第三宇宙速度。然而,人類於 39 年前發射的兩個“旅行者號”探測器(voyager1 和 voyager 2),旅行中的最高速度卻大大超過了這個速度。這其中有何奧秘呢?人造飛行器額外的動能從何而來?

以上問題的答案也是:引力。也就是說,對人類發射的航天飛行器而言,引力有時是阻力,有時又可能成為“推力”。我們可以利用太陽系中各大行星與飛行器間的引力作用,來加速飛行器。換個通俗的說法,讓飛行器從高速運動的行星旁邊掠過,順便從行星身上“揩點油”,讓自己得到加速度。

這種方法叫作“引力助推”,航天技術中經常使用來改變飛行器的軌道和速度,以此節省燃料、時間和成本,這種方法既可用於加速飛行器,也可用於在一定的情況下降低飛行器的速度。

圖 9-1(a)中的曲線所示,便是“旅行者 2 號”的速度在飛行過程中的變化情形。注意圖中的速度是相對於太陽系坐標而言,因而與我們提及的相對於地球坐標而言的“宇宙速度”值有所區別,其差值是地球的公轉速度,大約 30 km/s。曲在線的 4 個尖峰分別代表該飛行器在木星、土星、天王星、海王星經過時因為“引力助推”而產生的速度變化。圖中也畫出了 NASA 在 2006 年 1 月發射的“新視野號”的速度曲線,與“旅行者號”的速度曲線相比較,明顯地看出在 4 個行星附近,“引力助推”對“旅行者 2 號”的加速作用。圖 9-1(b)則顯示了兩個“旅行者號”探測器的行程。

不過,采用引力助推的方法也要等待時機。在 1964 年夏天,NASA 噴氣推進實驗室一位名為弗朗德魯(Flandro)的研究員,負責研究探索太陽系外行星的任務。弗朗德魯經過計算研究木星、土星、天王星和海王星的運動規律,發現了一個 176 年才有一次的最好時機,那段時間(大約 12 年)內,木星、土星、天王星和海王星都將位於太陽的同一側,形成一個特別的行星幾何排陣,是實現“引力助推”的理想地點。基於這點,專家們促使 NASA 啟動了“旅行者號”探測器計劃。

1977 年 8 月 20 日和 9 月 5 日,“旅行者 2 號”和“旅行者 1 號”分別從佛羅裡達州的航天中心發射【4】,她們是兩個幾乎一模一樣的“雙胞胎姐妹”航天器,攜帶著鐫刻了地球人類的消息和錄音的金唱片,她們的計算機內存只有 64 kB(很多年前的老古董電子設備,諸位可想而知是什麼模樣!)。“旅行者 2 號”比她“姐姐”的速度稍慢一點,但她成果不菲,順利完成了造訪 4 個外行星的任務。這對“姐妹花”都曾經探測過土衛六的地貌,雖然不很成功,但也為後來的探索提供了許多有用的信息。土衛六是土星衛星中最大的一顆,被認為極有可能存在生命跡象!“旅行者 2 號”旅途中的 4 次“引力助推”,將原來需要 40 年完成的“4行星探索”任務,在 10 年左右的時間內就提前完成了!“旅行者 1 號”在很快地訪問了木星和土星之後繼續高速飛行,如今已經越過太陽系的邊界,到達星際空間,成為飛出太陽系的第一個人類使者。兩位“旅行者”雖然早已完成為她們預訂的任務,卻並未“退休”,至今為止,仍然通過遙遙星空,每天向人類發來有用的資料。因為她們與地球相距遙遠,這些信息要延遲 17 小時左右才能被人類收到。

2. 原理

最早(1918—1919)提出這個想法的是一位蘇聯物理學家尤裡·康德拉圖克。尤裡於 1897 年生於蘇聯的烏克蘭,是太空工程與航天學的一位先驅和理論家,曾被蘇聯政府流放和監禁,但他在艱難的環境下仍不忘鉆研航天理論。後來,在第二次世界大戰中,尤裡自願入伍加入蘇聯紅軍,並於 1943 年在戰爭中陣亡。

盡管精確地計算飛行器的引力助推過程需要復雜的數學,但其物理原理卻可以用圖 9-2 中的例子,簡單地使用動量守恒定律來直觀解釋。引力助推也被稱為“引力彈弓”,因為它與彈性碰撞頗為類似。它利用飛船與行星、太陽之間的萬有引力,使行星與飛船交換軌道能量,像彈弓一樣把飛船拋出去。如圖 9-2(b)圖所示,想象將一個籃球投向一列對面疾駛而來的火車。設籃球速度為 v1=5 m/s,火車速度 u=10 m/s,方向相反。最後結果如何?考慮火車的質量比籃球質量大很多,籃球質量幾乎可以忽略不計的簡單情況下,得到的結論是:在碰撞之後,籃球從火車那兒“撈了一把”,將以 v2=v1+2u=25 m/s 的速度向後方(火車的前方)飛去。火車因為質量大,速度幾乎不變,仍然以原來的速度 u 照常行駛。人類發射到土星軌道附近的飛船與土星相遇時的情形便與剛才描述的“籃球撞火車”情形十分類似,只是飛船與土星並未直接接觸,而是像圖 9-2(a)所示的那樣繞行過去,引力在其中扮演著重要的角色。兩者的物理原理雖然不同,但最後效果卻是類似的:飛船得到了兩倍於土星速度的速度增加。

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