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想象一下,你正在阅读一本写于 1923 年的旅行指南,那时还从未有人建造过真正的火箭,也无人离开过大气层。本文讲述的是一本名为《天空》(Le Ciel)的法国书籍,作者是一位名叫阿尔方斯·贝热(Alphonse Berget)的人。当时大多数人像对待童话一样梦想着月球,而贝热却将其视为一个物理问题。
以下是这本书的故事,以简明的方式阐述:
从“魔法”到“数学”的转变
在贝热之前,关于登月最著名的故事出自儒勒·凡尔纳(Jules Verne)之手。在凡尔纳的故事中,你建造一门巨大的大炮,向月球发射一颗炮弹,然后希望它能命中。这就像在田野上扔球:你起初给它一个巨大的推力,之后它便径直飞向那里。
贝热说:“不,重力并非如此运作。”他意识到太空旅行并非仅仅依靠一次巨大的推力;它是一段包含三个截然不同章节的旅程,就像一部有开端、中段和结尾的电影。他并未使用复杂的计算机数学(当时计算机尚未问世),而是运用艾萨克·牛顿的基本法则,推演出一场旅程实际会是何种体验。
登月之旅的“三幕剧”
贝热将这段旅程分解为三个阶段,他估算总耗时约为49 小时。有趣的是,当人类在 20 世纪 60 年代(阿波罗任务)真正登上月球时,旅程耗时约72 小时。贝热的估算偏差了一天,但他大方向是正确的!
以下是他预测的三个幕次:
第一幕:伟大的逃脱(“攀登”)
- 类比:想象试图爬出一口非常深且陡峭的井。
- 发生的情况:你必须以足够的速度从地球发射,以对抗地球沉重的引力。贝热意识到,仅仅为了逃出地球的“引力井”,就需要巨大的初始速度(约 11 公里/秒)。
- 现实:这一阶段很短。在他的书中,他说这大约需要 24 分钟。现实中时间稍长一些,但这确实是最艰难的部分。
第二幕:漫长的漂流(“滑行”)
- 类比:一旦你爬出了井,你就处于一条长长的平坦公路上,引擎已关闭。你只是在滑行。
- 发生的情况:随着你远离地球,地球的引力越来越弱。与此同时,月球的引力开始增强。在中间地带存在一个“拔河”区域,地球和月球对你的拉力相等。
- 现实:这是旅程中最长的部分。贝热推测这需要约 48.5 小时。他正确地理解到,在旅程的大部分时间里,你并非被“驱动”,而只是在太空中漂流,随着远离地球而减速,随后在坠向月球时再次加速。
第三幕:软着陆(“刹车”)
- 类比:想象向蹦床坠落。如果你不减速,你会弹开或撞毁。你需要踩下刹车。
- 发生的情况:一旦月球引力占据主导,它会迅速将你拉入。如果你不减速,你将以高速撞击表面。贝热意识到,在着陆前需要一个“制动”阶段来减速。
- 现实:他推测这需要几分钟。现代火箭也这样做,尽管过程更为复杂。
缺失了什么?
本文指出,尽管贝热才华横溢,但他遗漏了一些现代宇航员所知晓的内容:
- 轨道:他未提及火箭实际采取的弯曲路径(轨道)。他想象的是一条更直接的路线。
- 月球的“舞蹈”:他不知道“拉格朗日点”(太空中引力完美平衡的特殊位置),现代任务(如阿尔忒弥斯计划)利用这些点来节省燃料。
- 人的因素:不过,他确实考虑了那些枯燥的事情:你吃什么?如何在狭小的盒子里睡觉?他意识到漫长的旅程在身心上都是艰难的,尽管他并不了解辐射或零重力病。
宏观图景
本文的核心观点是:物理学先于技术。
1923 年,飞机还是那些勉强能飞越城市的脆弱木质飞行器。然而,贝热审视了重力定律,并说道:“如果我们建造一台足够坚固的机器,这就是我们抵达月球的确切方式、所需的时间以及视野会是什么样子。”
他虽没有制造火箭的工程能力,但他拥有心理地图。他表明,你不需要超级计算机就能理解太空旅行的基本原理;你只需要明白重力是一场拔河,而登月之旅是一场三步舞:逃脱、滑行、刹车。
文章以贝热的一段优美引语作结,提醒我们:仰望天空教会我们,我们虽渺小,但我们的好奇心是无限的。
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