太空旅行指南

科学和太阳系面面观

1961 年 4 月 12 日，苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin） 从今天的哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场（Baikonur Cosmodrome）起飞，开始了人类的首次太空之旅。他乘坐的飞船在“东方”（Vostok-K）火箭的推动下向东飞行，飞行高度大约 325 千米。飞船a 差不多绕行地球一圈后，到达非洲上空，此时制动火箭点火，返回舱开始减速并降落。在距地面 7 千米的时候，舱门打开，他被弹射出去，打开降落伞，最后降落在偏离预计着陆点大约 2 800b 千米的地方。就在那里，他打了一个电话，叫人来接他。

从那以后，人类的太空飞行断断续续地发展起来。20 世纪60 年代和 70 年代，人们见证了苏联与美国之间的太空竞赛，而人类登月使这场竞赛进入了白热化阶段。苏联的“礼炮”（Salyut）系列空间站、苏俄的“和平号”（Mir）空间站、美国的“天空实验室”（Skylab）空间站和中国的“天宫一号”等环地空间站你方唱罢我登场。现如今，国际空间站和中国的“天宫二号”各自雄踞一方。国际空间站不仅使各个国家、公司和机构有机会向太空输送宇航员和科学家，同时也为实力雄厚的太空旅行发烧友提供了落脚点。截至目前，进入太空的人数在 500~1 000 之间（这个数字无法更精确，因为有些秘密的军事任务无从统计）。大量商业太空项目正在建设之中，这预示着在不远的将来会有更多人踏上太空之旅。

从历史上看，业余太空旅行的价格一直以千万美元为单位， 但从事太空旅行各类分支业务的新生代公司有望降低这个价格。目前正在开发的一个短程太空游项目，一个座位只要几十万美元。这意味着将有几百万人有机会进入太空。

想从太空旅行中获得极致体验，你必须了解一路上可能遇到的科学和医学问题。《太空旅行指南》会阐述各种太空经历，所以会包含不少科学知识。本书的目标之一就是让这些知识能够为你所用。科学家给日常用语赋予了很多技术含义，这给业余人士阅读科学读物造成很大的困难。因此，本书会在必要时解释这些词语的科学含义。

让我们看看对科学词语进行不同解读的两个例子。如你所知，微小的电子围绕着体积较大的原子核运动。读到这里，大多数人会把电子和原子核想象成微缩版的行星和太阳。20 世纪早期甚至出现过以原子生物为主人公的小说，比如 1922 年出版的

《金色原子中的女孩》（Girl in the Golden Atom），作者是雷·卡明斯a。然而事实上，原子内部的各种粒子—质子、中子和电子—根本不是实心粒子，而是同时具有波和粒子的双重属性。撇开其他不谈，这首先意味着，我们不能把电子想象成围绕恒星运动的行星。波的性质使电子在运动时向四周发散，这不同于点状物体的运动方式。虽然电子运动的“视觉化”因此变得复杂， 但波粒二象性的设定反而方便科学家深入地解释电子的行为。

本章的第一句话也可以很好地证明理解科学词语的重要性。本章开头我写了“……开始了人类的首次太空之旅”，这里我没有给出“太空”的定义。我们大多数人从直觉上会把“太空”理解成地球大气层以外的区域。但是大气层与游泳池不同，它没有明确的边界。如果你从高空降落进入大气层，你会发现空气变得越来越稠密，但看不出哪里算是边界。相比之下，你往游泳池里跳的时候，入水的那一刻，水面的边界非常明确。大气层没有一个固定不变的顶盖，所以光是大气层还不够拿来给“太空”下定义，我们需要换一个角度。

地球大气层之所以没有一个明确的边界，是由于气体的性质。液体是原子和分子的弱束缚组合，而气体的原子和分子是无法被束缚在一起的。除非以外力强行拉近，否则这些粒子会彼此渐行渐远。例如，气球把气体原子和分子聚在一起，而一旦被刺破，里面的粒子就会四散开来。

让我们做个粗略的比喻：就像气球把气体聚集起来那样， 地球重力把空气聚拢在地球四周，阻止它们逃逸到太空中去。即便如此，大气层最外层的气体受太阳辐射，还是会挣脱地球重力，向星际空间逃逸。之所以如此，是因为粒子受热越多，其运动速度就会越快，待速度足够快时便会摆脱地球重力。因此，地球大气层不断有气体逃逸到月球，甚至更远的地方，不再回来。让问题变得更复杂的是，整个大气层在受热时会向外膨胀，遇冷时会向内收缩，所以大气层的高度会随天气状况、太阳辐射和昼夜更替而不停地变化。

多数太空爱好者把“太空”定义为卡门线（Karman line）以外的空间。这个定义源自匈牙利裔美国科学家西奥多·冯·卡门

（Theodore von Karman，1881—1963）的一个推论。卡门曾提出一个问题：为了使飞机的机翼产生足够的升力以保持飞行高度，我们需要多大的空气密度？毕竟，飞得越高，空气密度就越小，空气所能产生的升力也越小（不论飞行速度）。他发现，在距离地球表面 100 千米左右的高度，空气已经变得非常稀薄，以至于飞机必须飞得足够快，进入绕地轨道，才能维持飞行高度。换句话说，在绕地轨道的高度上，飞机的速度会非常快，即使关闭发动机依然可以环绕地球飞行。这个高度就是现在所说的卡门线。

在无动力飞行的时候，航天器需要依靠自身的运行速度来避免坠向地球。例如，国际空间站不断被地球重力向下拉，但由于它在平行于地表的方向上具有足够快的速度，所以不会一落到底。出于各种政治和技术原因，各个机构和国家对“太空”起始高度的界定并不一致，但就本书而言，太空始于卡门线。

有趣的科幻作品：

小行星是很多科幻故事的主角，最早可以追溯到 19 世纪儒勒·凡尔纳（Jules Verne）的作品。几部《星球大战》系列电影里都有小行星的身影。在《星球大战 5 ：帝国反击战》（The Empire Strikes Back）中，汉·索罗（Han Solo）就把他的“千年隼号”（Millennium Falcon）藏在了一颗小行星里面。这颗小行星是一个密集行星带的一部分，符合人们对太阳系小行星带的一贯印象。问题是，如果小行星像这些电影展现的那样密集，它们相互之间的万有引力早就使它们互相撞击，最后聚合成一个巨大的天体了。这种情况实际上并没有发生，因为小行星带中的小行星，还有近地天体，它们彼此之间至少相隔 160 万千米（地球与月球之间距离的 4 倍），甚至更远。到底有多远，就看你相信谁的计算结果咯。小行星由于质量小、运动速度快，在这样遥远的距离下不可能聚合在一起。