星星背後的物理：亮劍太空

撰文：張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）

責編：寒凌旭

審校：張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）

主編點評：

航天技術的不斷進步，讓人類從仰望星空到實現登臨探測。太陽系中那些曾經十分遙遠、模糊的天體，在航天器的探測下一個個揭開了神秘的面紗。張天蓉博士撰寫的專欄《星星背後的物理》，以豐富的歷史事實和優美的文筆，向我們揭開了這些神奇的太空現象背後的物理本質。敬請期待她的新書出版。

從地球走向太空，是人類文明的一大進步。

飛天，是人類自古以來的夢想。希望能像鳥兒一樣自由自在地在空中翱翔，是航空夢；想到月亮上去，進而去探索莽莽河漢，浩瀚神秘的太空，謂之「航天夢」。這兩類「夢想」吸引著無數英雄盡折腰，甚至有人為此送了性命，仍然前仆後繼，在所不辭。

太空時代來臨

上世紀中葉開始的美蘇冷戰突然地把人類拉入了太空時代。從1958年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，人類太空探索的腳步連綿不斷。如今，奔赴太空半個多世紀，托起人類千古之一夢。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。繼前蘇聯和美國兩個超級大國二戰之後的火箭人才爭奪戰後，航天科學技術迅猛發展，全世界各大國都紛紛在太空亮劍，代表了在科學、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。

這個各大國以千萬億資金投入，數萬人辛勤勞動以致付出生命代價的「航天工程」，為人類文明作了些什麼？它使我們對太空及太陽系有了哪些更深入的理解？航天探索如何改變了人們的生活和思維方式？在滿天繁星及航天探秘的背後，隱藏著哪些基本而又有趣的物理知識？這些是本系列文章作者向廣大讀者介紹的內容。

從物理學角度看，航天的目的是要探索茫茫太空中無數星星背後的秘密，即眾多天體運動、發展、演化的自然規律。而航天工程必須要藉助於發射上天的人造物體（人造衛星和各種航天器）來得以實現。這些人造 「星星」 的研究製造、軌道設計、發射和回收方法、載人安全考慮，以及它們在太空中的運動狀態等等，也都全要遵循物理定律。因此，作者將此系列定名為「星星背後的物理」。

然而，宇宙茫茫，星辰無數。除了自然的天體之外，數十年來，人類發射至太空的人造物體也已經數以萬計！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，讓公眾對「航天」的基本知識，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、震撼人心的故事，使讀者對人類的航天簡要歷史輪廓有所了解。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，登陸火星，那都是科學家和幾個航天員考慮的事，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、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。」

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要想發展航天事業，都紛紛想加入到這個「太空俱樂部」中，來貢獻一份力，也分享一杯羹。發展航天，將自已的國力展示於地球，也亮劍於太空，這是如今每一個「大國」的願望和共識。

航天需要科普

中國人喜歡談天說地，自古不缺航天夢，從「嫦娥奔月」的神話想像，到「萬戶飛天」的身體力行，歷史文獻中早有記載；甚至現代航天必不可缺的火箭技術，也源於我們祖先的偉大發明。而中國政府歷來就重視航天事業，從1970年發射第一顆人造地球衛星（東方紅1號），太空響奏東方紅開始，長征系列運載火箭、神舟系列載人飛船、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。

所以，航天時代已經到來，太空離我們並不遙遠！幾十年的航天工程有哪些具體的重要進展？這一領域近年來發展太快，廣大民眾可能還知之甚少，即使是在學術界，許多人對近年來航天所得的太空新知識也只是知其然，而不知其所以然。因此，在這場新一輪的太空競賽中，如何才能發揮中國現有的優勢，儘快地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必不可少。因此，科普航天，讓公眾了解航天知識，是本系列作者的初衷。

此外，航天技術及其探索的「太空」 之謎，對好奇心強浮想聯翩的青少年，特別具有極大的誘惑力。作者也希望能通過這個系列介紹，滿足青少年對太空的好奇心，增長見識，啟發他們對地球、太陽系、人類未來的思考，吸引更多的年輕人踏進科學技術、天體物理、航天工程的大門。

星海拾趣

迄今為止，現代的航天技術主要是探索了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之物理規律和特點作了基本的簡單介紹，帶領讀者星海拾趣。

比如，人類最感興趣派去探測器的是哪些星球？為什麼對它們特別看待？它們和它們的衛星有些什麼特別之處？哪幾個星體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，人類有移民其它星球的可能性嗎？

剛才說到人類社會中的各個大國正在進行太空爭奪戰。十分有趣的是，宇宙中的各個天體之間，本來就在進行著無言的、永恆的爭鬥。從物理學的視角看，宇宙間存在4種基本的相互作用，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星內部結構中的物理過程，但與天體之間的運動無關。其它兩種力：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、形形色色的物體，運用它們各自的引力和電磁力，像是在互相搶地盤，佔山頭，大星吞小星，小星撞大星，用物理規律展開一場無言的戰爭，形成宇宙中一幅十分有趣的物理圖景。

航天學是一門有趣的理論，但實際的工程發射過程則充滿了危險和挑戰，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生活環境，要適應太空，克服人體的各種不良反應等，對此，科學家們作了許多研究。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，作者對此也稍加描寫使後人能以此為鑒。

作者盡量使用通俗易懂的比喻，圖文並茂的解釋，幽默風趣的語言，引導讀者學習、思考和探索星星背後的物理現象，了解天體運行、恆星演化、宇宙變遷的基本物理規律。

希望你讀完這個系列後，能對太空和航天有一個新的認識，產生自己的想法，對茫茫宇宙，這個環繞在我們周圍的最大最神秘的未知世界，產生濃厚的興趣。也希望你能從學習科學知識中體會到大自然造物之巧，感受科學理論之美。

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作者正在以此系列文章為基礎，完成一本科普讀物，暫定名為《揭秘太空：人類的航天夢》，將於2017年由「清華大學出版社」出版，敬請各位關注。

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