揭秘太空 人类的航天梦

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研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、飞秒激光、激光探测晶体性质、高频及微波通讯、EDA集成电路软件等。 P16

希望能像鸟儿一样自由自在地在空中飞翔,是航空梦;到月亮上去,进而探索莽莽河汉和浩瀚神秘的太空,是航天梦。 P17

这个世界各国以千亿万亿资金投入,数万人辛勤劳动以至付出生命代价的“航天工程”,为人类文明做了些什么?人类对太空的众星系有何更深入的理解?如今,借助于现代的高科技,我们如何重新解读太阳系和银河系、如何认知太空中那些遥远而且形形色色的神秘天体?太空的探索与开发又如何改变了人类的生活和思维方式?此外,在满天繁星及航天探秘的背后,隐藏着哪些基本又有趣的物理知识?这些是本书作者希望引领读者思考解决的问题。 P18

天上的星星并非遥不可及,它们的运动和变化无时无刻不在影响着我们的生活。 P19

从1970年发射第一颗人造地球卫星(东方红1号),在太空响起“东方红”开始,“长征”号运载火箭、神舟载人飞船、北斗卫星导航系统,还有“天宫”“嫦娥”和“玉兔”,一系列太空探索计划步步紧跟。 P20

在阿西尔·埃罗于1865年出版的《金星之旅》中,主人公也发明了一种利用水的反作用力将飞船推入太空的动力装置。 P21

人类最感兴趣且派去探测器的是哪些星球?为什么对它们特别看待?哪几个星球与地球的环境最为类似?在这些天体上是否探测到任何生命存在的迹象?如果地球突然发生大灾难,人类有移民其他星球的可能性吗?此外,如今飞得最远的“旅行者”号探测器被认为是刚刚抵达太阳系的边界。 P22

对此,作者描述了宇宙中一幅十分有趣的物理图景。 P23

德国南部的阿尔卑斯山区,一个颇有特色、叫作阿玛高(Oberammergau)的小镇附近,远望高山巍峨、雪峰挺拔;近看湖水碧秀、绿草如茵。 P36

之后短短的6个月内,疯狂的纳粹德国接二连三地共发射了3745枚V2导弹,其中有1115枚击中英国本土,共炸死2724人,炸伤6476人,对建筑物也造成相当大的破坏。 P37

没想到这一天,研制V2导弹的顶级专家却自己送上门来,正是踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫,美国人不由得乐在眉尖、喜上心头:“哦,欢迎你们投降,用你们的技术为美国效劳。 P38

这些从魔掌下逃离的物理学家们关注到德国在核研究方面的动向,由爱因斯坦牵头向美国报告说,德国科学家已经掌握了铀的原子裂变技术,即制造原子弹的第一步。 P39

1945年3月,美军开进波恩,波恩大学的科学家们将一些相关资料撕碎丢进马桶中,但来不及处理堵塞的马桶就纷纷逃离了。 P40

1932年,布劳恩在20岁时就被命名为德国首个导弹试验场液体火箭研发项目的技术负责人。 P41

它说的是,反作用力总是与作用力相等,作用在不同的物体上。 P42

国际航空联合会将100km的高度定义为大气层和太空的界线。 P43

V2导弹发射时的质量大约13t,可负载1000kg的高能炸药弹头,并射向300km远的目标。 P44

他舍不得销毁自己多年的研究成果,便违背命令将14t重的火箭技术草图及数据藏在了哈尔茨山一个废弃的矿井里,这些资料也成为他(及他的弟弟)与美军交涉的筹码。 P45

飞到月亮上去!这是人类自古以来的梦想。 P46

但在中国的历史资料中,却尚未发现关于万户的记载 【1】 。 P47

《地球到月球》是凡尔纳于1865年创作的作品,描述几个人乘坐一枚由巨大大炮发射出的中空炮弹而飞向月球的故事。 P48

但总的来说,齐奥尔科夫斯基的科研之路还算顺利。 P49

图2-1(a)是齐奥尔科夫斯基设想的宇宙飞船。 P50

当你认真分析多种运动机制后会发现,即使是由反作用力的原理而产生的运动,也有两种不同的方式。 P51

液体火箭的液态氧和燃料需要低温储存,常温下容易蒸发为气体,不易保存。 P52

对科学着迷的少年往往会在经历某个平常事件的一瞬间,好像突然开窍,有时还伴随着闪亮的思想火花,明白甚至确定了自己毕生的目标和志向。 P53

戈达德不喜欢纸上谈兵。 P54

飞行延续了约2.5s,最大高度为12.5m,飞行距离为56m,见图3-1(a)。 P55

”正是:可恶媒体不懂行,讥讽嘲笑又夸张,火箭专家志登月,墙内开花墙外香。 P56

但奥伯特坚持自己的信念,不愿为得到学位而另发表一篇文章。 P57

在这本书的激励下,不少航天爱好者组建了“德国星际航行协会”,奥伯特成为重要的会员,并且他的火箭实验也于1930年取得了第一次成功。 P58

答案是肯定的,这些人是谁呢?且听下回分解。 P59

不过,我们在这里只代表性地介绍一个人。 P60

大清洗运动中他也是被判了死罪的,所幸没有立即执行,这个人在西伯利亚做了几年苦工之后,现在正在一个监狱工厂里为我们研究和设计火箭呢。 P61

虽然俄国从德国捞到的油水不如美国那么多,但苏联雄厚的科技实力和俄罗斯民族的大国气慨帮助了他们。 P62

导弹火箭已经不需要他们帮忙了,这些人反而有里通外国、潜伏起来成为间谍的可能性,于是便将他们全数送回了德国。 P63

苏联的R-7和美国的宇宙神都是在纳粹的V2导弹基础上改进的,十几年的努力不会白费,推力和射程比起V2导弹大大增加,见图4-1。 P64

那么,我们是否首先可以发射一个人造物体,如同月亮那样绕着地球转呢?这个人造物体可以带上需要的仪器设备,代替人类从高处来观测地球、监控大气,研究地磁场以及海洋、潮汐、太阳黑子等,为我们提供各种服务,真正达到“守卫”地球的目的。 P66

/ 图5-1 人造卫星和宇宙速度(a)牛顿炮预言人造卫星;(b)宇宙速度能够使得抛射物体环绕地球作圆周运动的速度的数值,与发射点在地球表面的高度h 有关,如果h =0,V 10 =7.9km/s,叫作地球表面的第一宇宙速度。 P67

即轨道的偏心率越大,意味着椭圆的长轴越长。 P68

媒体一片嘲讽,科技界人士沮丧,老百姓则有些惊慌,以为美国如今“技不如人”,安全会受到威胁。 P69

况且,在这种大项目上,资本主义国家那种多条渠道分散科研的体制,显然没有集权制度来得有效。 P70

两个庞然大物分别由两方的首席火箭专家科罗廖夫和布劳恩设计。 P71

要知道苏联对此也是早就“万事俱备只欠东风”了。 P72

这是第一件大好事,因为根据预先设置的命令,如果降落在敌对国家的话,就得考虑引爆预先设置的炸弹,来个“光荣牺牲”,以避免背上“叛逃”的嫌疑。 P73

(2)  1英里=1609.344米。 P74

”李白的名句:“今人不见古时月,今月曾经照古人。 P76

月球的这种现象,和我们通常所说的“海洋潮汐”有什么关系呢?地球上海洋的潮汐现象是月球对地球的引力产生的。 P77

比如所谓的“开普勒问题”,便是将两个天体作为质量集中的两个点来研究,并不考虑它们的尺寸大小。 P78

后来,“潮汐”这个名词被推广到泛指“因为引力对物体各个部分不同”引起的某些效应。 P79

地球自转周期大约为一天,月亮公转的速度就小多了,大约一个月才绕一圈。 P80

所以,月亮轨道角动量的增加意味着更大的R ,也就是说,月亮轨道半径将越来越大。 P81

月亮现在的公转周期为1个月,设想它的速度在短时间内突然迅速加快,其轨道半径将从3.84×105 km变小,变小,一直小到4.2×104 km左右。 P82

具体来说,“潮汐锁定”是需要时间的,只是逐渐锁定,不会瞬间完成。 P83

天体运动中也观察到很多其他比值的自旋轨道共振。 P84

宇宙并不是一个拧紧了发条的大钟,其中的天体遵循引力规律而运动,天体间的相对位置每时每刻都在因为运动而改变。 P85

另外一种物理天平动便是由于各种原因(诸如地球引力、其他天体引力、月震等)造成的月球的摆动。 P87

它们成分如何呢?俗话说,百闻不如一见,要回答这些问题,最好还是要派使者登上月亮去看看。 P88

1959年,苏联在几次发射月球探测器失败之后,成功地在同一年相继发射了“月球1号”“月球2号”“月球3号”无人探测器。 P89

这些问题除了理论研究外,需要进行多次动物实验,苏联发射第二颗人造卫星时带上了小狗“莱卡”的目的之一便是研究生物体对太空特定环境的反应。 P90

双子座计划旨在为其后的“阿波罗计划”做准备,积累更先进的技术,包括如下一些具体项目:实现太空行走和轨道机动;航天器之间的交会对接;延长宇航员和飞船在轨的驻留时间到两周左右,以便足够前往月球并返回;测试载人系统的安全性并在预定地点着陆,为宇航员提供太空飞行中需要的零重力环境和飞行器对接的经验。 P91

无论地球交会还是月球交会,整个航天器都是由能分能合的两部分组成。 P92

赫鲁晓夫热衷于太空计划,因为在太空竞赛初期,苏联抢先美国的事实给他带来不少国际范围内的政治资本和个人威望。 P93

有意思的是,当“上升1号”飞船返回地球的那天,苏联的政局发生了变化,勃列日涅夫等人在莫斯科发动政变,赫鲁晓夫被免除一切职务,强迫“退休”。 P94

还好他身上预先系了一根5.35m长的与飞船相连的绳链,也冲不到哪里去!不过,面对茫茫太空的惊吓无助之情却可想而知。 P95

两位宇航员不得不在暴风雪中爬出舱门发出呼救信号……第二天,正满世界搜寻他们的回收人员才终于从空中发现了他们。 P96

一般而言,交会对接过程分4个阶段:地面导引,自动寻的,最后接近和停靠,对接合拢。 P97

欲知美苏竞争结果如何,且听下回分解。 P98

然后,母船继续环绕月球飞行,在绕月轨道上等待登月舱返回。 P99

另一位宇航员迈克尔·科林斯则留守在绕月环行的母船“哥伦比亚号”上。 P100

但是,直接掉头必须首先迫使飞船速度反向,这需要很大的推力。 P101

“阿波罗13号”使用登月舱的降落火箭,稍作机动变轨进入到“自由返回轨道”。 P102

比冲也很关键,比冲不够的话,进得了太空,但到不了月球!比较而言,效率便只是燃料用多用少的问题了。 P103

/ 图8-3 美国和苏联的登月运载火箭(图片资料来自NASA)(a)“阿波罗11号”和“土星5号”;(b)N1火箭爆炸为什么N1火箭要使用30台发动机呢?N1火箭是多级火箭,第一级是基于当年苏联一位年轻的设计师库兹涅佐夫设计的NK-15发动机。 P104

虽然科罗廖夫仍然是登月的总设计师,但有限的资源却被分去了一半。 P105

不同的是,只要它们还能与地球通信,只要它们的引擎能启动,还有足够的燃料,发射它们的地球人就还有可能控制和改变它们的运动。 P107

轨道机动除了改变轨道之外,还可以控制航天器的方向和“姿态”以达到某种目的,这点在载人航天返回地球或降落到月球和其他星球时特别重要。 P108

然而,人类于39年前发射的两个“旅行者号”探测器(voyager1和2),旅行中的最高速度却大大超过了这个速度。 P109

图中也画出了NASA在2006年1月发射的“新视野号”的速度曲线,与“旅行者号”的速度曲线相比较,明显地看出在4个行星附近,“引力助推”对“旅行者2号”的加速作用。 P110

弗朗德鲁经过计算研究木星、土星、天王星和海王星的运动规律,发现了一个176年才有一次的最好时机,那段时间(大约12年)内,木星、土星、天王星和海王星都将位于太阳的同一侧,形成一个特别的行星几何排阵,是运行至实现“引力助推”的理想地点。 P111

后来,在第二次世界大战中,尤里自愿入伍加入苏联红军,并于1943年在战争中阵亡。 P112

/ 图9-2 理解引力助推(或称“引力弹弓”)原理的直观图也许有人会觉得以上的说法有违能量守恒。 P113

3.三体问题和拉格朗日点 三体问题历史悠久,还得从牛顿时代说起。 P114

牛顿时代就已经得到了上述二体问题的微分方程精确解,凡是学过中学物理的人都知道,这时的两个质点在一个平面上绕着共同质心作圆锥曲线运动,轨道可以是圆、椭圆、抛物线或者双曲线。 P115

既然二体问题之解令人十分满意,那就在二体问题解的基础上做文章。 P116

从图9-3(a)所示,拉格朗日点中的3个点L 1 、L 2 、L 3 位于两个大天体的连线上,L 4 和L 5 则分别位于连线的上方和下方与大天体距离相等,并组成一个正三角形的两个对称点上。 P117

自然界的实例也证明,稳定解在太阳系里就存在。 P118

比如,L 1 、L 2 、L 3 都在日地连线上,L 1 在日地之间,小星体在这个位置时,它的轨道的周期恰好等于地球的轨道周期。 P119

利用大自然中天体间本来就存在的引力来助推,尽量节约航天器的燃料,这个想法太精彩了!太空中的运动确实不同于地面,没有大气层,不需要克服阻力。 P120

苏联和美国先后发射的人造卫星让全世界为之振奋,各大国也都跃跃欲试。 P121

1958年,雄心勃勃的戴高乐执政后,不甘心只有苏美进行太空竞争而法国却似乎被“拒之于外”的世界局面。 P122

美国当年的第一颗卫星只有8.2kg,被嘲讽为“美国将一颗柚子送入了太空”。 P123

几颗卫星联合起来便具有了对地球进行全方位观测和交流的能力,这是其他地面手段无法比拟的。 P124

中国的“东方红一号”至今没有坠毁的原因便是因为轨道较高。 P125

月球不会掉下来,也不会飞离地球,是因为它的速度在那个位置产生的离心力正好平衡了地球引力。 P126

气象卫星一般有两种:绕极卫星和静止卫星,前者可以飞经地球的每个地区,巡天遥看整个地球周围气流、温度等的空间分布,拍摄全球的云图;后者则可观测和监督地球上某固定范围内随时间的风云变幻。 P127

那么就由此产生了两个问题:一是大家的轨道都相同,转来转去是否会互相碰撞呢?二是那个高度上的赤道轨道只有那么一圈,称之为“黄金圈”,圈内位置有限,发射的卫星越来越多,克拉克带越来越拥挤,见图10-2(b),是否会“星满为患”呢?第一点不成问题,因为虽然所有的静止卫星都共用一条“跑道”,但大家的速度都一样,前前后后,排着队跑,没有“争先恐后”,谁也不超过谁。 P128

他们将星星看作是地球上人的化身,用心目中的英雄人物为最亮的星座命名。 P130

目前的太阳几乎是一个理想球体,从中间向外依次为核心区、辐射区和对流区(图11-1(b)左上太阳内部截图)。 P131

因此,在太阳核心处进行着大量的核聚变反应。 P132

无论如何,太阳系大家庭的有用能量之来源是太阳核心区的核反应。 P133

太阳在45亿年之前,是一团因引力而坍缩的氢分子云。 P134

这一过程也经常被称作引力凝聚,凝聚成了原恒星之后的发展过程则取决于原恒星的初始质量。 P135

这个界限值是由印度物理学家钱德拉塞卡在20多岁时发现的,他为此而在70多岁时荣获诺贝尔物理学奖。 P136

爆发成了一个红巨星还不能使它们过瘾,紧接着又爆发成一颗亮度特大的超新星。 P137

一计算,果然算出了一个奥本海默极限。 P138

前面的章节中说到人类社会中的各个大国正在进行太空争夺战。 P139

俗话说得好:“万物生长靠太阳”。 P140

比如,人类了解最多的哈雷彗星,属于“短周期彗星”,周期也有76年。 P141

此外,太阳风的速度非常快,远远大于彗星的运动速度,因此离子尾看起来不像尘埃尾那样呈现出弯曲美妙的弧形,而总是笔直、硬邦邦地向外延伸出去。 P142

2.太阳风的来龙去脉 太阳的辐射能来源于核心的核聚变,核心温度高达1.5×107 K,然而太阳表面处温度下降到5800K左右。 P143

日冕的高温是如何形成的?这仍然是困惑物理学家的一个未解之谜。 P144

当今世界各国试图攻克的受控热核聚变反应,其研究对象便是等离子体。 P145

虽然不可见的两股电磁力在地球上方无声地激烈战斗着,但这把地磁大伞形成了一片安全的空腔,保护着地面上包括人类在内的生命体不受高速带电粒子的危害,也保护着空间基础设施,如卫星等的正常工作。 P146

北极光和南极光固然使人类着迷,吸引人们不远万里到极地观赏这一大奇观。 P147

特别是进入航天时代以来,NASA及其他国家发射了多个监测太阳的航天器:如1980年的“太阳峰年卫星”,1990年的“尤利西斯号”,1995年的“轨道太阳望远镜”,2006年的“日地关系天文台”等。 P148

从1990年发射,到2008年,整整18年的服役期中,不但顺利完成了设计者最初期望的5年的任务,还多活了13年,提供给科学家们许多有用的资料,带给了人们额外的惊喜。 P150

如今我们很难想象当年的地球极区征服者所遇到的困难,但看看他们使用的交通工具也许能给我们一些启迪:由于地球极区的特殊地理条件和气候环境,当年征服两极的先驱们使用的交通运输工具基本上都是“狗拉雪橇”。 P151

虽然在现代,这种不幸已经越来越少,但前辈的精神,给我们留下珍贵的科学遗产。 P152

但天体物理学家们感兴趣的是太阳磁场的N、S极及其变化。 P153

探测器的控制中心位于美国加州的NASA喷气推进实验室。 P155

接着,探测器利用它自身的三级火箭加速,提高飞行速度到每秒16km左右,然后沿着绕地轨道,背对太阳而去。 P156

因此,“尤利西斯号”脱离了黄道面,“蹦”上了另一条绕日椭圆轨道,向着它的最终目标——太阳飞去!见图13-2中的红色椭圆。 P157

太阳风实际上就是太阳磁场向周围宇宙空间的延续。 P158

而太阳的磁极翻转周期(翻转又翻转)为22年,即磁极运动的半周期与太阳黑子活动的周期同步。 P159

2000年11月,“尤里西斯号”返回到离太阳2.2AU(1天文单位AU是从太阳到地球的平均距离)的南极地区时,发现磁场被分裂成多个方向,太阳活动接近最大值,磁场似乎正处于复杂重组的过程中,如图13-4(b)所示。 P160

(3)太阳风的速度及其他结果太阳极区的冕洞吹出的太阳风是由带电粒子组成的等离子体流。 P161

但太阳系之外还有一个广漠无垠的、人类想要探究的宏大宇宙,那么,如今飞得最远的航天器是哪一个?飞到了哪儿呢?欲知答案,且听下回分解。 P162

首先要看你如何定义这个“边界”。 P163

与太阳风相类似,宇宙中的其他恒星也都会吹出自己的“等离子风”。 P164

太阳风吹出的又叫作“太阳圈”,算是一个小星风泡。 P165

也就是说,太阳风泡泡的半径大约等于地球到太阳距离的100倍(冥王星与太阳平均距离35AU)。 P166

/ 图14-3 激波(a)超音速子弹;(b)太阳风“泡泡”对“旅行者1号”而言,当它接近和通过太阳驻点时,可以通过探测到如下3种情况来判断是否到达了太阳系边界:太阳风风力急跌,宇宙射线水平飙升,周围磁场大小和方向的改变。 P167

两位旅行者姐妹于1977年相差15天发射升空,NASA的目的是要让她们赶上一个特别的、176年一遇的4行星“几何排阵”机会,这4颗行星指的是太阳系的4颗外行星,即木星、土星、天王星和海王星。 P168

“妹妹”虽然永远追不上“姐姐”,但也紧跟其后,据说也已经接近太阳系的边界了。 P169

那时候,一对双胞胎姐妹,加上一对双胞胎兄弟,都将成为无家可归,无人问津的星际航天器,各自孤零零地向不同方向奔跑,却不知道去向何方。 P170

伽利略用望远镜研究太阳系的行星和它们的卫星;赫歇尔家族用望远镜探测银河系并记录下几万颗星星,建立了天文学发展的基础;哈勃用望远镜观测到4万多个“河外星系”,大大扩展了人类观测宇宙的视野!天文望远镜自发明伊始一直沿用至今,不过,现代的天文望远镜已经今非昔比。 P171

钱德拉X射线天文台发现了中等质量黑洞存在的证据,观测到了银河系中心超大质量黑洞——人马座A? 的X射线辐射。 P172

不过它的优势是位于太空,它就是一颗人造地球卫星,以7500m/s的速度,绕高度为559km的低地球椭圆轨道运行,97min就能绕地球一圈。 P173

哈勃定律的意思就是说,星系飞离我们的速度与其距离成正比,离得越远的星系飞离得越快。 P174

也就是说,我们看见的是这个星星的“过去”,或者是这个位置上“过去”的星星!8min前的“过去”不必大惊小怪,但10年、1000年、1亿年前的“过去”,那就非同小可了!/ 图15-1 哈勃深空和哈勃超深空的拍摄位置(a)哈勃深空;(b)哈勃超深空人类从地面上用肉眼观察天象,看到的也是星星的过去。 P175

哈勃深空(Hubble Deep Field,HDF)是一张由“哈勃”于1995年所拍摄的夜空影像。 P176

2012年,NASA又公布了一张哈勃极深空(extreme deep field,XDF)。 P177

/ 图15-3 詹姆斯·韦伯空间望远镜(a)“哈勃”和“韦伯望远镜”大小;(b)L2 拉格朗日点哈勃深空到极深空的几张宇宙“过去”的影像,使天文学家和宇宙学家们非常兴奋,也大大加强了他们研究宇宙起源、恒星演化、星系形成等的信心。 P178

它不是像“哈勃”那样绕着地球转圈,而是位于太阳-地球系统的拉格朗日点L2 上,有关拉格朗日点,请参考本书前面章节(第9节 三体运动生混沌 引力助推荡秋千)。 P179

空间望远镜并不是都要望到宇宙深处,它们观测的目标有远有近,工作波长从射电到伽马射线都有,观测的天体各种各样,诸如太阳黑子活动、脉冲星、双星、红巨星、超新星爆发、活动星系核等。 P180

引力不像电磁力那样有吸引也有排斥,而是只有吸引,但整个宇宙中所有的物质却没有因为互相吸引而“塌缩”成一大团。 P181

比如说,地球能够保持月亮作为它的卫星,而不是太阳的卫星,月亮一定是在地球的希尔球以内。 P182

应用刚才介绍的希尔球概念,相信你已经不难给这些现象一个简单的物理解释。 P183

洛希描述了一种计算物体(卫星)被潮汐力扯碎的极限距离的方法,如果卫星与行星的距离小于洛希极限,便不能靠自身的引力保持原有的形状,会因潮汐力而瓦解。 P184

这些因素也决定了环内“碎片”物体的大小。 P185

我们看到的太阳天天如此,年年如此,好像世世代代都如此。 P187

白矮星或中子星的特点是密度超大,像那颗价值连城的钻石星球,每立方厘米的物质质量有几十吨。 P188

因此,主序星时的两个质量极限值要比上述的两个值更大,分别为8个太阳质量和15~20个太阳质量,见图17-1(b)所示的图像说明。 P189

黑洞有着极其丰富的物理意义和哲学内涵,黑洞周围的时间和空间有许多有趣的性质,涉及的内容已经远远不是光线和任何物体能否从星球逃逸的问题。 P190

爱因斯坦的引力场方程,或简称“场方程”,便是将时空几何性质与物质分布情况联系起来的数学表述。 P191

上面的引力场方程被写成了异常简单的形式,但实际上,时空曲率R 及表示物质的T 中都有丰富而复杂的内容。 P192

也就是说,如果假设真空中只有一个质量为M 的球对称天体,那么引力场方程的解是什么?这种分布情况虽然异常简单,但却是大多数天体真实形状的最粗略近似。 P193

这两个数值都导致史瓦西解中出现无穷大。 P194

不过,无论人类是否到得了黑洞的视界之内,科学家们的思想却免不了总在那儿徘徊。 P195

因为在这个半径以内,外界无法得知其中的任何细节,我们将其称之为“视界”。 P196

质量M 产生黑洞的视界;角动量L 是旋转黑洞的特征,在其周围空间产生涡旋;电荷Q 在黑洞周围发射出电力线,这三个物理守恒量唯一地确定了黑洞的性质。 P197

惠勒突发奇想,问学生:“如果你倒一杯热茶到黑洞中,会如何?”惠勒的意思是说,热茶既有热量又有熵,但据说一切物质被黑洞吞下后就消失不见了。 P198

根据爱因斯坦狭义相对论导出的质能关系式:E =m c2 ,能量和质量是物质同一个属性的两个方面,或者也可以简单地说成是质能可以互相转换。 P199

然而,热茶倒入黑洞后,这些分子运动的复杂信息都到哪儿去了呢?黑洞被描述得如此简单,经典黑洞无毛,看起来似乎无熵可言!因为任何天体一旦塌缩成为黑洞,原来的信息都丢失了,无论原来是圆的、扁的、方的,是锥形还是环形,内部有多少中子、电子、光子,或夸克。 P200

惠勒似乎总是支持任何疯狂的想法。 P201

平衡态是由温度来表征的,如果黑洞具有熵,那它也应该具有与熵值相对应的温度。 P202

可以被想成只是“暂时的”出现在计算中,而不是真正的能够被侦测到的粒子。 P203

从计算黑洞温度的公式可知,黑洞的温度与黑洞质量M 成反比,对一般情况下的黑洞,计算出来的温度值非常低,大大低于宇宙中微波背景辐射所对应的温度值(2.75K),因此不太可能在宇宙空间中观测到霍金辐射。 P204

然而,现在有了霍金辐射,辐射粒子在视界附近随机产生,逃离黑洞引力,并带走一部分质量,这样便会造成黑洞质量的损失。 P205

/ 图18-3 经典黑洞和黑洞熵(a)以及霍金辐射与量子力学的矛盾(b)信息悖论的争论和探讨不断,似乎在黑洞专家们之间发起了一场“战争”,在美国斯坦福大学教授伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind,1940— )的《黑洞战争》一书中,对此有精彩而风趣的叙述 【16】 。 P206

之后的黑洞热力学和霍金辐射又涉及量子理论。 P207

原来的量子纠缠态也在穿过视界的瞬间便会立即被破坏掉。 P208

霍金代之以一个替代视界叫作表观视界(apparent horizon),认为这个所谓的表观视界才是黑洞真正的边界。 P209

软的意思是说,这些毛的能量极低,低到测量不到的范围。 P210

十分有趣的是,霍金喜欢打赌,多次因黑洞有关问题与同行打赌。 P211

茫茫宇宙中,黑洞在哪里呢?黑洞不发光、不辐射,便不能被看见,那么应该如何来寻找它们?最后,人们把寻找的目标指向了双星系统。 P212

但并非所有波段都可以直达地面。 P213

物质绵绵不断地从“液滴”的尖端,被输送到“不可见”的星体,积累和弥散在其周围,形成一个圆盘形状,也就是天文学家们所说的“吸积盘”。 P214

此外,不断进入中心体的周围物质所携带的引力能得到释放后,高能电子会摩擦并将吸积盘中的气体加热到很高的温度,导致气体向外辐射。 P215

星体质量的测量和估算非常困难,不过随着天文技术的进步,测量的数值会越来越准确。 P216

因为他无论输赢都高兴,赌赢了得杂志,赌输了证明黑洞存在,证明他的理论正确。 P217

木星不像地球有固态的表面,是一个气态行星。 P219

所以,在中国古人的眼中,木星有规律的运行,记录和主宰着天干地支、生命轮转,象征着农业兴衰。 P220

而木星和太阳的质量中心,已经偏离到了太阳表面上,所以结果是木星和太阳都绕着质心转,木星转大圈,太阳转小圈,如图20-1的右图所示。 P221

然后,如果我们考虑木星的巨大质量和体积的话,它表面的重力加速度是地球加速度的2.5倍。 P222

像木星这种巨行星,一般被假设为有一个岩质的核心,与地球核心类似,高压高温。 P223

因此,对木星的研究将加深我们对系外行星的认识,了解木星的形成过程将为了解其他行星的形成提供重要的线索。 P224

木星的极光虽然也会变化,但却是“永驻”在极区的。 P225

1609年,荷兰光学专家汉斯·利柏黑(Hans Lipperhey)将两个凹凸镜片放在一起制成了望远镜,伽利略知道后立刻动手改良,造出了一具放大20倍的望远镜。 P226

麦迪逊家也因此安排伽利略成为比萨大学的教授,且不用教书和尽公职,只专心做研究,这使得当时的伽利略声誉满欧洲,人们似乎忘记了(或者说是视而不见)这些新发现对哥白尼日心说的支持。 P227

比如说,4颗伽利略卫星被简单地称为木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。 P228

木星及其卫星系统的形成和演化过程仍然是一个谜。 P229

/ 图20-5 木卫一的等离子流及大红斑的热流(图片来源:NASA)(彩图见后)(a)木星的磁场和木卫一的等离子圈;(b)大红斑可能相当于一个热源因为木星与地球磁层形成机制之不同,造成它们的极光现象也有所不同。 P230

“朱诺”是何方神仙?有哪些特点?且听下回分解。 P231

这也正是地球上天文学家们研究木星的目标和愿望。 P232

别的不说,人类发现的木星卫星的数目从几颗增加到了67颗,其中绝大多数都是这些前期造访者的功劳。 P233

/ 图21-1 “朱诺号”(图片来源:NASA)此外,为了防止木星的强辐射影响,科学家让“朱诺”戴上一个沉重的“头盔”:约0.8cm厚的钛合金板制成的抗辐射电子防护罩,总重约为200kg。 P234

1.巡航5年被俘获 不要忽略了研究“朱诺号”奔向木星的运行轨道,其中隐藏着许多奥秘 【21】 。 P235

探测器到太空中游览了一圈,飞行了2年,就像是新研制成功的飞机做了一次现实环境下的飞行演习,设计者们需要近距离考察一下,看看是否有什么异常情况发生了。 P236

另一个节约航天器能源的方法是使用太阳能电池板,“朱诺号”在这点上也创下了使用太阳能距离最远的纪录(7.93亿km),之前到达这个距离的大多数航天器是利用核能发电。 P238

这样做可以节约燃料,因为立即变轨到科学轨道需要很大的速度改变,同时也便于调整仪器并进行远距离观测。 P239

木星引起的轨道进动也对“朱诺”的“健康”造成负面效应。 P240

这个盔甲能将其遭受的辐射强度减弱800倍。 P241

因此,科学轨道上只有“近木点”的一小段靠近木星,轨道的其余部分大都远离辐射带,这样可以减缓辐射剂量的积累速度,让“朱诺”存活足够长的时间,完成20个月的科学探测。 P242

在离木星不那么近的地方,也还是可以得到许多有用信息的。 P243

除了加强稳定性之外,自转的优越性还包括设计简单,在旋转1圈的过程中使得所有的科学仪器都转了360°,这样相当于一个全方位自动扫描。 P244

牛顿用物体之间的相互作用来描述引力,爱因斯坦则将引力解释为物质造成的时空弯曲。 P246

航天技术发展之后,科学家们更是自然地将太空作为验证广义相对论的实验舞台。 P247

地面上高楼底层的蓝光源发出蓝色的光,传播到顶层时,观察者看到的却是红光!上面的描述固然有所夸张,但如果实验中位于顶层的接收器的灵敏度足够高的话,便会发现接收到的底层光源的光谱谱线往红端移动了一点点。 P248

光子传播到顶楼后比在底层具有更大的引力势能,这个势能从何而来呢?可以看成是从光子自身的能量转化而来。 P249

是因为质量巨大的星体发射的光子在离开光源之后,受到其周围引力场的作用而产生的谱线位置变化。 P250

但是基于广义相对论的计算,却准确地算出了这个多余值,得到比用牛顿定律计算更精确的与观测数据相符合的结果。 P251

4.引力时间延迟 在20世纪60年代,除了上述的三种经典天文观测方法之外,似乎难以找到别的实验方法来更进一步验证广义相对论。 P252

实质上,该现象与上述的信号延迟及引力红移都相关联,只不过表现于时间的变化而已。 P253

因此,GPS的卫星和地面站都使用极为准确(误差小于十万亿分之一)的原子钟,见图22-4。 P254

关键问题是,38μs的差别将引起导航定位系统定位误差的累积,使得GPS系统开始还好用,但误差会越来越大。 P255

在牛顿的平坦时空模型中,引力探测器围绕地球旋转时,陀螺仪的小指针会永远指向同一个方向,指示的方向应该和开始时的方向完全一致,如图22-5(a)所示。 P256

不过,地球自转时拖曳的不是蜂蜜,而是周围的时空参考系,如图22-6(b)所示。 P257

在技术上来说,测量“进动”的原理简单,但对陀螺仪灵敏度的要求却非常高。 P258

对参考系拖曳效应进一步检验的任务落到环绕木星的“朱诺号”身上。 P259

黑洞也是广义相对论的预言之一,并且黑洞物理与量子理论密切相关,引力波的探测结果以及今后朝这个方向的进一步研究,将有助于深化对黑洞物理性质的认识。 P260

在这里,我们将简要地回顾这段重要的历史。 P261

如果再将天体看成有形状、大小,会自转的刚体,便更为复杂了。 P262

”他所说“混沌”一词的意义有所不同。 P263

也就是说,小尘埃的质量大大小于大星体的质量。 P264

但是在有外力的一定条件下,摆动幅度逐渐增大,新的频率分量将不断出现,有时还会产生转动模式,其振动及转动的次数、位置、方向,看起来越来越貌似随机和不确定,最后会过渡到图23-3(c)所示的混沌状态。 P265

周期1和周期2的结果是简单而可预测的,到了3以上,传球的方式增加到很多种,就开始有产生混沌的可能性。 P267

图23-5(b)中所画的是土卫六和土卫七围绕土星运动轨道的示意图,其中的3个天体大小比例远不是真实情况的比例。 P268

不过,土卫六的旁边带了一个颇有特色的“小弟弟”,那就是土卫七。 P269

也有人将土卫七的这种多孔外观与“海绵”比较,称其为“海绵卫星”。 P270

这三体就是土星、土卫六及土卫七。 P271

就像一个形状不对称的陀螺,高速旋转时也免不了摆动。 P272

这两颗小卫星是在“新视野号”升空之前由哈勃空间望远镜发现的。 P273

1.土星探测:“卡西尼—惠更斯号” 物理学家惠更斯的名字大家听得多了,流传最广的应该是光学中的惠更斯原理,将波动的传播过程,诸如反射、折射、衍射等,用次波的包络来进行分析和解释,简洁又明了,直观而形象。 P274

卡西尼在物理思想上却是少见地保守,他不接受哥白尼的日心说,也反对开普勒定律及牛顿的万有引力定律。 P275

对这个距离地球大约比木星还远一倍的神秘天体,科学家们也知之不多,充满了困惑和疑问:土星环由何物构成?云层下面是个什么模样?有生命存在的可能性吗?1979年9月,“先驱者11号”飞越土星时第一次拍摄到几张它表面的照片,发现了土星环中(最细的)的F环。 P276

1997年,“卡西尼—惠更斯号”土星探测器从美国佛罗里达州升空,这是人类迄今为止发射的规模最大、复杂程度最高的行星探测器,多国合作,耗资巨大,设计十年,计划周密。 P277

那么,土卫六大气层的成分到底如何?与地球大气层有何异同?云层下面有着怎样的地貌?是否覆盖着液态物质?有无产生生命的条件?要回答这些谜中之谜,看来有必要派一个探测器“钻进”土卫六的大气层中,当然最好还能降落在它的表面上。 P278

不过,“惠更斯号”不负众望,一个多月后,它进入土卫六大气层,成功地在土卫六上实现了软着陆,成为第一艘在太阳系较外侧天体上着陆的人造飞船。 P280

科学家们认为土卫六与生命出现之前的地球十分相似。 P281

但是土卫六大气中没有氧气,第二多的成分便是甲烷,但这正好符合科学家们预言的地球早期生命演化过程中的情形。 P282

科学家解释阴阳脸的形成原因是因为陨石撞击形成的温差在演化过程中热效应正反馈的原因。 P283

在土星的北极,存在一个超级风暴圈。 P284

在环绕北极的风暴中,还伴随着旋转方向与六边形云带相反的小型旋涡。 P285

不过,如何正确描述湍流的性质,至今仍然是物理学中的一个重大难题。 P286

的确很了不起,作为人类的普通一员,能够第一次欣赏到这么多的“地球之外”的美丽,足够引为自傲了!1612年的伽利略很生气,因为他从两年前就一直观察到的土星的“两只耳朵”突然消失不见了!这个倒霉的事件甚至使他在这一年宣布说“放弃”对土星的观测,将他的望远镜指向了别的星球。 P288

/ 图25-1 地球人观察土星环(图片来源:NASA)(a)人类观测到的土星环景象的历史变迁;(b)从地球上看土星环消失(约15年)图25-1(a)显示了人类对土星环认识的历史变迁,惠更斯在继伽利略看到“耳朵”的50年后,使用更大的望远镜,认识到那是与土星分离的、围绕在土星周围的一个“环”。 P289

近距离看来,毫无美丽浪漫可言(图25-2(a))。 P290

他开始研究土星环,是因为之前的大多数科学家公认的“土星环固体模型”遭遇困难了。 P291

“卡西尼号”还观测到在薄薄的垂直(厚度)的方向上,也存在一定的“结构”。 P292

这是太阳系中迄今为止发现的唯一一个(可能)带环的卫星。 P293

有人认为最好的解释就是假设土卫五的赤道附近存在盘面状的“环”,能够将电子吸附在其中的固体物体上。 P294

不过,查理洛在半人马小行星中算是大的。 P295

4.行星环为什么能稳定? 洛希极限说明了在一定的条件下,卫星将崩溃成碎片从而有可能形成行星环。 P296

不过,土卫二是个反例,它的质量足够大,却是E环的物质来源。 P297

行星环中的物体(粒子)经常会互相碰撞。 P298

由上所述,普罗米修斯和潘多拉“一内一外”守护着F环中的“羊群”,还有另一个有趣的卫星土卫十八(潘),则守卫着一条缝(恩克缝),见图25-7(b)。 P299

也许可以说得好听一点,将“殖民”改成“移民”,这后一个词出于人类对地球未来命运的担忧。 P301

地球的这些积累数年的压力而造成的隐患一旦发生,不一定是局限于某个国家和地区的问题,而是有可能对地球人类整体造成毁灭性的灾难。 P302

别小看小行星撞击地球的力量,如果有一颗直径超过45m的小行星击中伦敦,将能使整个欧洲毁灭。 P303

与其被殖民,不如先考虑如何殖民别的星球。 P304

此外,还有一个颇为重要的因素,星体上有没有水。 P305

地球是一颗距离太阳不远不近,大小和质量都恰到好处的星球,就它与太阳的距离而言,可算是太阳系中唯一处于“可居住地带”的行星。 P306

比较起来,还是火星的环境与地球比较接近,我们用数字来说明问题。 P307

自转轴倾角和轨道离心率的长期变化比地球大很多,由此而造成了气候的长期变迁,火星表面的平均温度比地球低30℃以上(人类移民过去要准备挨冻了!)。 P308

这颗火红的星球对人类有一种特殊的吸引力。 P309

不过,到目前为止,仍然已有超过30枚探测器到达过火星,并发回了大量宝贵的资料 【33】 。 P310

于是,火星上的生物灭绝、洪水泛滥、地貌改观,火星成为一个无法居住的星球,所幸当初已经有少量火星人移居其他星球了,他们的命运如何呢?那就凭你的想象力任意驰骋了……图26-3是“好奇号”在火星上拍摄的照片。 P311

越远的光源看起来越小、越暗淡,这是常识。 P312

那么,人类就得从种植、繁衍这些简单生物开始,向火星表皮土壤内引进细菌和战略性植物,一代又一代地逐步建立形成一个人造的生物循环圈,依靠生物链的进化来进一步达到改变环境、改变大气层的厚度和成分的目的,使火星越来越适合高等生物的居住。 P313

航天的发展首先是基于火箭的研究,火箭的工作原理是依靠燃料燃烧释放出的强大化学能而产生的反冲力。 P315

法列尔在大学时学物理,后因第一次世界大战时服务于奥匈帝国空军而中断学习。 P316

法列尔相信他能够更好地改进发动机,增大推力。 P317

/ 图27-2 涅杰林灾难那正是美国和苏联激烈冷战的时期,双方在制造洲际导弹上较劲。 P318

为了抗衡美国,苏联委派扬格利领导的“南方设计局”承担了P-16导弹的研制工作。 P319

” 大火在烧尽了火箭燃料之后还持续了几个小时,横扫所有的可燃之物,包括来不及逃走的生命,也将许多仪器设备化为灰烬。 P320

然而,并不是每个宇航员都有如此好的运气,“阿波罗计划”的第一艘——“阿波罗1号”在1967年1月27日进行一次例行测试的时候,尚未发射就突然发生大火,致使三名优秀的宇航员在17s内丧生。 P321

他们躺在“土星IB号”运载火箭顶部的“阿波罗1号”指令舱中,等待“拔除插头”。 P322

擦完后,他将棉团随手丢在了旁边的小电炉上。 P323

/ 图27-4 “挑战者号”灾难(a)“挑战者号”上的7名宇航员;(b)航天飞机爆炸;(c)费曼对O形环做冰水实验那是一个特别寒冷的天气。 P324

“挑战者号”失事了!价值12亿美元的航天飞机顷刻化为乌有,7名机组人员全部遇难,观看的人群中哭声一片。 P325

实际上在发射之前已经有技术人员提过这个问题,未引起决策人员的重视。 P326

在航天飞机发射升空81.7s后,外部燃料箱外表面掉落的一块隔热泡沫撞击到飞机左翼前缘,损坏了航天飞机的防热系统,形成裂孔,见图27-5(a)。 P327

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