第一支火箭：被戰火推進的航太史

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·布朗
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
1．潮汐和潮汐鎖定
2．月亮正在遠離地球
3．如果月球公轉比地球自轉快
4．地球為什麼不對月球鎖定？
5．軌道共振
6．月亮其實不是「半遮面」
7．月球地貌
第7節 雙子星計畫成功 俄羅斯棟梁病逝
第8節 「阿波羅」載人月球漫步 N1火箭發射失誤
1．「阿波羅11號」成功登月
2．勝利的失敗：阿波羅13號
3．蘇聯為何沒有登月
第9節 三體運動生混沌 重力助推盪鞦韆
1．重力助推
2．原理
3．三體問題和拉格朗日點
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 太陽尚在青壯年
第12節 大傘撐起地磁場 變幻莫測太陽風
1．從彗星尾巴的方向說起
2．太陽風的來龍去脈
3．地球磁場隨「風」起舞
第13節 「尤利西斯」英雄漢 太陽極區勤為探
1．神祕的極區
2．英雄身負重任上軌道
3．探測結果
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
1．哈伯望遠鏡
2．詹姆斯·韋伯太空望遠鏡
第16節 天體間的重力之戰 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
1．黑洞熱力學
2．霍金輻射
3．黑洞資訊悖論
4．霍金的軟毛黑洞
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 氣態木星朱庇特 巨大神祕行星王
1．太陽系中的巨無霸
2．氣態巨行星引人關注
3．磁場和極光
4．木星的衛星
第21節 欲為夫君揭面紗 全靠「朱諾」布羅網
1．巡航五年被俘獲
2．軌道密布似羅網
3．巧鑽空隙避磁場
4．快速自轉有玄機
5．終點衝刺自殺亡
第22節 廣義相對論太空驗證 探測重力波地面響應
1．光線彎曲
2．重力紅移
3．進動
4．重力時間延遲
5．重力時間膨脹和GPS
6．重力探測器B
7．重力波和黑洞
第23節 潮汐鎖定共振曲 混沌自轉土衛七
1．什麼是混沌？
2．龐加萊三體問題
3．單擺和複擺
4．三生混沌
5．土衛七的混沌自轉
第24回 「惠更斯」登上泰坦 「卡西尼」智探土星
1．土星探測：「卡西尼—惠更斯號」
2．宏偉的探測計畫
3．泰坦：早期地球？
4．土衛五、土衛八和土衛二
5．神祕的土星北極六邊形
第25節 木星周圍伴侶多 土星腰間環帶美
1．複雜多變的土星環
2．太陽系有多少「行星環」？
3．行星環從何而來？
4．行星環為什麼能穩定？
第26節 夢想殖民火星 大難臨頭逃生
1．地球未來的災難
2．尋找第二家園
3．探索火星的祕密
4．火星地球化
第27節 太空之路不平坦 失誤釀成大災難
1．魂繫太空——航太史上的事故
2．第一位犧牲者
3．犧牲人數最多的導彈試驗慘劇
4．小火花成大禍
5．小小O形環造成的災難
6．「哥倫比亞號」災難
參考文獻

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祕的太空，是航太夢。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。

　　航空和航太，起源一致但因理論和技術不同而分家，本書描述的是航太而非航空。

　　華人自古不缺航太夢，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，甚至現代航太中必不可缺的火箭技術也是源自於過去的偉大發明。

　　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慾的滿足，也伴隨著時代變革的風風雨雨。從蘇美兩個超級大國在第二次世界大戰之後的人才爭奪戰開始，航太方面的科學技術發展迅猛，世界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「航太工程」，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祕天體？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，在滿天繁星及航太探祕的背後，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。透過一些典型事例的介紹，讓讀者對基本航太知識以及其中的物理原理有所瞭解。同時，也透過介紹人類航太史上一些妙趣橫生和震撼人心的故事，使讀者認識人類航太的簡要歷史輪廓。從古代的飛天傳奇，到世界各大國之間的太空爭奪戰，說明航太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人考慮的事，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太事業的誤解，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‧詹森曾經說過「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」。

　　詹森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太事業，都紛紛想加入這個「太空俱樂部」中，來分一杯羹。發展航太事業，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。

　　如今的航太領域，已經不僅僅是美蘇兩國之爭。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畫。俄羅斯的航太計畫停滯多年後正在艱難重啟；日本將與美國合作載人探月專案；歐洲的航太計畫因金融危機擱置，但希望參與俄羅斯的月球探測專案中；印度一直都關注航太事業的發展，自主研發顯示了其大國雄心，探索太空的步伐也從未停止。

　　航太時代已經到來，太空離我們並不遙遠！

　　沒有哪一門科學像「航太」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。航太科學的先鋒更是熱衷於將他們的航太思想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。

　　航太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之後，西方有關航太的科幻小說可以列出一大串。1657年，法國作家德·貝傑拉克（Cyrano de Bergerac）出版的科幻小說《月球之旅》（The Voyage to the Moon）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。貝傑拉克並非科學家，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（Achille Eyraud）於1865年出版的《金星之旅》》（Voyage to Venus）中，主人翁也發明了一種利用水的反作用力，將太空船推入太空的動力裝置，作者在書中還用手槍的後座力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。當年文學作品的想像力大大地超越了科學技術能達到的現實，更為可貴可讚的，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，在現代新一輪的航太競賽中，如何才能發揮現有優勢，盡快縮小與已開發國家的差距，走出獨特的航太技術之路呢？這其中除了專業人士的努力之外，大眾的理解和支持必不可少。因此，向大眾科普航太知識，讓老百姓更多地熟悉太空、瞭解航太，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理論，但實際的工程發射過程卻充滿了危險和挑戰，特別是載人航太。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，載人太空船的發射和返回過程危險性很大，航太史上有過幾次大事故，作者也會稍加描寫，使人們能以此為鑒。

迄今為止，因為太空船的速度所限，現代的航太技術只是主要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的物理規律和特點作了基本介紹，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，如今飛得最遠的「航海家」號探測器被認為是剛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多得多的宇宙。作者也將對哈伯太空望遠鏡及韋伯太空望遠鏡略作介紹。

　　為了增加可讀性，作者以第二次世界大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，再將航太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航太知識。

　　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一場永恆的爭鬥。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：重力和電磁力，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重力和電磁力，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生、研究生，對天文學、航太、物理學等感興趣的國、高中學生等。然而，航太技術及其探索目標──「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大眾閱讀，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、直觀的圖像來深入淺出地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：

　　透過介紹航空航太中的典型事例，滿足各個年齡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，瞭解天體運行、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。