[世博會的科學(xué)傳奇]之太空探秘（上）Comments>>| Tags 標(biāo)簽：
世博會,
原創(chuàng),
航天器材 科學(xué)松鼠會 發(fā)表于 2010-04-03 13:29
文：趙致真
天文學(xué)不僅是古代科學(xué)的源頭和搖籃，也是是近代科學(xué)的“重鎮(zhèn)”和前沿。在銀河系的“萬家燈火”中，人類在一盞叫做太陽的溫暖“燈光”下成長了自己的文明，并向著遼闊的宇宙張望。我們今天已經(jīng)把望遠(yuǎn)鏡伸向100億光年之外的太空深處，我們的航天器已經(jīng)飛向茫茫銀河之濱。我們已經(jīng)在探索黑洞、類星體、暗物質(zhì)、暗能量的奧秘并推究宇宙的起源和終結(jié)。大自然也許正是通過進(jìn)化出人類來實現(xiàn)自我認(rèn)識的。
1933年芝加哥世博會沒有請總統(tǒng)按下“金鍵鈕”。開幕式的“指令”來自遙遠(yuǎn)蒼穹的“星星之火”。葉凱士天文臺用1米口徑、世界上最大的折射望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)牧夫座α，即北半球夜空最明亮的大角星，將捕捉到的光線轉(zhuǎn)化為電信號輸送到世博會的阿德勒天文館，開啟了展區(qū)的萬盞華燈和千尺噴泉。大角星距離地球約40光年，因此1933年“到達(dá)”芝加哥世博會的大角星光線恰恰是1893年芝加哥世博會期間“出發(fā)”的。這一設(shè)計最巧妙體現(xiàn)了兩屆世博會的傳承和聯(lián)系。大角星由此變得家喻戶曉。三五成群的公眾仰望星空指指點點，成了這屆世博會的獨特景觀。
大角星開啟1933年世博會的紀(jì)念郵品
1921年愛因斯坦和葉凱士天文臺工作人員合影
1933年芝加哥世博會阿德勒天文館
1851年倫敦世博會上，著名的羅斯天文望遠(yuǎn)鏡和庫克天文望遠(yuǎn)鏡便巍然雄踞在水晶宮中央。1867年巴黎世博會的西克雷坦公司大型天文望遠(yuǎn)鏡、1876年費城世博會的海軍天文臺望遠(yuǎn)鏡，都點染著展區(qū)的現(xiàn)代氣息和科技品位。1893年芝加哥世博會上，葉凱士望遠(yuǎn)鏡的鏡片尚未打磨成功，便迫不及待向公眾展示了18米長的鏡筒和18噸重的鏡身。最轟動一時的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)在1900年巴黎世博會上，這是法國人德隆科爾制造的長60米、口徑1.25米的“觀天巨眼”。超高超重的身軀根本無法豎起，只能橫臥在離地面7米高的水平支架上，靠一面鏡子反射輸入光線。這臺望遠(yuǎn)鏡完全是為世博會展覽制作的，并沒有考慮實用性，世博會閉幕后找不到一家買主，只能以解體告終，僅剩下碩大的鏡頭還保存在巴黎天文臺，成為望遠(yuǎn)鏡制造歷史上科研與經(jīng)營雙重失敗的典型案例。
1851年倫敦世博會羅斯天文望遠(yuǎn)鏡
1867年巴黎世博會天文望遠(yuǎn)鏡
1893年芝加哥世博會葉凱士天文望遠(yuǎn)鏡（鏡頭尚未完工）
1900年巴黎世博會上德隆科爾巨型天文望遠(yuǎn)鏡
無法逾越的巨大尺度使天文學(xué)難以成為實驗科學(xué)，一切研究只能靠細(xì)微的觀察和精密的計算。因此，沒有望遠(yuǎn)鏡就沒有現(xiàn)代天文學(xué)。1608年荷蘭眼鏡制造商利普賽發(fā)明望遠(yuǎn)鏡后，伽利略立即加以改造并指向蒼穹，成為“發(fā)現(xiàn)新天空”的“哥倫布”。這是一個用平凸透鏡做物鏡，以凹透鏡做目鏡的簡單光學(xué)裝置，直徑4.2厘米的“大眼睛”能比裸眼捕捉更多的光線并匯聚在目鏡后，讓人看到一個更大、更亮的虛像。1610年，伽利略發(fā)表了劃時代的著作《星際使者》，朦朧的銀河原來是無邊的星海，皎潔的月亮竟然布滿了環(huán)形山，燦爛的太陽哪知會有黑子，而金星的相位變化和木星的4顆衛(wèi)星恰恰是日心說最可靠的證據(jù)。伽利略手中的2小塊玻璃永遠(yuǎn)改變了人類和自然的關(guān)系。1611年，開普勒將目鏡換成凸透鏡并置于物鏡的焦點之后，從而看到一個放大的顛倒實像。開普勒望遠(yuǎn)鏡視場更寬廣、成像更清晰。增大口徑為了收集更多光線，減小曲率能減少球面像差，正是不斷加長的焦距，形成了開普勒望遠(yuǎn)鏡修長而壯觀的獨特造型。
1609年伽利略望遠(yuǎn)鏡
伽利略的《星際使者》和改變世界的兩只鏡片
1673年赫維留斯制造的45米長、4透鏡“長鏡身”望遠(yuǎn)鏡
由于不同波長的光線經(jīng)過透鏡時折射率不同，難免帶來彩虹般的色差；巨大的鏡片只能靠邊框支撐，長期重力作用會造成形變而影響精度。1668年，牛頓制造了第一架反射望遠(yuǎn)鏡。將折射光線的凸透鏡變成了反射光線的凹面鏡，主鏡尺寸更容易增大，而且能用更多支撐點承受自身重量。反射望遠(yuǎn)鏡很快成了大型天文臺的首選和主流。1851年倫敦世博會舉辦時，天文學(xué)已經(jīng)碩果累累?；莞?、卡西尼、哈雷、赫歇爾、梅西耶、皮亞齊、夫朗禾費等一代代天文大師炳若群星，羅斯伯爵的1.8米反射望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)能夠看到遙遠(yuǎn)的旋渦星系。而真正把望遠(yuǎn)鏡神話推向高潮的是天文奇才海爾，他以“三級跳”的跨越，連續(xù)制造了1.53米口徑的威爾遜天文臺望遠(yuǎn)鏡，2.54米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡和5.08米口徑的海爾望遠(yuǎn)鏡。1923年，哈勃就是用胡克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)仙女座等星系都是我們銀河系之外遙遠(yuǎn)的“宇宙島”，1929年觀測到遙遠(yuǎn)天體的光波被“拉長”而向光譜紅端移動，并且“紅移”量和距離成正比，為宇宙膨脹理論找到最確鑿的證據(jù)。此后更大的反射望遠(yuǎn)鏡不斷問世。1930年，施密特集中了折射和反射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點，制造出視場大、像差小的折反式望遠(yuǎn)鏡。天文攝影技術(shù)也日臻成熟。觀測工具的每次升級換代，都帶來了天文學(xué)的新飛躍和大豐收。
牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡
第三代羅斯伯爵1.8米口徑望遠(yuǎn)鏡
1931年愛因斯坦在哈勃（中）陪同下觀看胡克望遠(yuǎn)鏡
帕洛瑪天文臺5.08米口徑海爾望遠(yuǎn)鏡
1962年西雅圖世博會開幕式的設(shè)計可謂獨出心裁和別開生面。正在佛羅里達(dá)棕櫚灘度假的肯尼迪總統(tǒng)按動“金鍵鈕”，首先觸發(fā)遠(yuǎn)在緬因州安杜夫的大型射電望遠(yuǎn)鏡，接收到10000光年外仙后座A超新星遺跡的電磁輻射，這是天空中強度僅次于太陽的射電源，再將信號轉(zhuǎn)送到西雅圖世博會場。剎那間無數(shù)聲光電設(shè)備同時發(fā)動，2000個氣球騰空而起。這一開啟儀式無疑最能緊扣“太空時代的人類”主題，和1933年用大角星光線啟動芝加哥世博會相比，天文學(xué)更加突飛猛進(jìn)，“射電天文學(xué)”已經(jīng)成為異軍突起的全新分支。
1962年4月21日肯尼迪總統(tǒng)準(zhǔn)備按動金鍵鈕開啟西雅圖世博會
人類眼中的“萬紫千紅”原來只是電磁波中380納米到750納米波長的“可見光”，對于紅外和紫外的波段我們就“有眼如盲”，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡也“視而不見”了。射電天文學(xué)的觀測領(lǐng)域是天體發(fā)出的無線電波,波長從1毫米到30米之間，這是我們通過大氣層瞭望太空的又一個寶貴窗口。1931年8月，貝爾電話實驗室工程師央斯基為了搜尋無線通訊中的天電干擾，在新澤西制作了一架30多米長的天線陣，安裝在4個福特T型汽車輪子上。這座“央斯基旋轉(zhuǎn)木馬”無意中接收到了來自人馬座方向銀河系中心穩(wěn)定的無線電波，從此宣告了射電天文學(xué)的誕生。1937年，美國工程師雷伯制造了第一架射電望遠(yuǎn)鏡，并在1941年掃描天宇，得到最早的銀河系射電天圖。由于可見光在傳播中會被星際塵埃阻擋，而無線電波卻可以長驅(qū)直入，還有些天體只發(fā)出“非熱輻射”，因此射電望遠(yuǎn)鏡送來了許多新的謎團和答案。望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率和口徑成正比，和波長成反比，無線電波段的波長比光學(xué)波段長百萬倍，難怪射電望遠(yuǎn)鏡個個看上去都“大模大樣”和“大搖大擺”了。英國洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡口徑76米，澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡口徑64米，德國埃費爾斯貝格射電望遠(yuǎn)鏡和美國格林班克口徑均為100米，1963年建成的阿雷西伯射電望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)305米。英國科學(xué)家賴爾1946年便制造出射電干涉儀，將一定距離下2個天線信號的相位進(jìn)行疊加，從而提高射電望遠(yuǎn)鏡分辨率。1971年在劍橋大學(xué)建成綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，8面13米口徑的拋物面天線排列在5000米長的基線上，美國、荷蘭、澳大利亞、印度急起直追，射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度、分辨率和成像效果已經(jīng)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡并駕齊驅(qū)了。類星體、脈沖星、星際分子、微波背景輻射，二十世紀(jì)六十年代天文學(xué)的這“四大發(fā)現(xiàn)”都是射電望遠(yuǎn)鏡劃時代的獨特貢獻(xiàn)。
復(fù)制的1931年“央斯基旋轉(zhuǎn)木馬”
雷伯1937年制造的第一架射電望遠(yuǎn)鏡
英國洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡
澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡
德國埃費爾斯貝格射電望遠(yuǎn)鏡
美國格林班克射電望遠(yuǎn)鏡
美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡
劍橋大學(xué)賴爾綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡
美國新墨西哥州甚大陣綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡
各民族的祖先都曾夢想擺脫大地的束縛，飛向浩淼的天宇。1901年美國布法羅世博會“月球旅行”的價值曾長期被忽略和低估，這是湯普森為中途樂園設(shè)計的游藝項目，第一次用“飛行器”將游客送上想象中的“月球”。1902年，法國早期電影導(dǎo)演梅里埃根據(jù)儒勒凡爾納的科幻小說拍攝了14分鐘電影《月球之旅》，描述6名科學(xué)家乘坐“炮彈”射向月亮，以及在月球王國的許多奇遇。我們不妨以炮彈為例，飛行速度越快無疑會落得越遠(yuǎn)，當(dāng)速度達(dá)到每秒7.9公里時，下落的弧度將和地球的曲率一致，炮彈就會繞著地球轉(zhuǎn)圈而不再落到地面了。這便是理論上的“環(huán)繞速度”或“第一宇宙速度”。俄國宇航先驅(qū)齊奧爾科夫斯基1903年便提出以液態(tài)氧和氫作燃料，用多級火箭達(dá)到宇宙速度。
1901年布法羅世博會中途樂園“月球旅行”
1902年科幻電影“月球之旅”
第二次世界大戰(zhàn)中德國發(fā)射了3000多枚V2火箭，這種新武器以酒精和液態(tài)氧為燃料，速度能達(dá)到每秒1.6公里，是最早的“亞軌道飛行器”。納粹政權(quán)潰敗前夕，美國以高度戰(zhàn)略智慧實施絕密的“回形針行動”，將布勞恩等德國第一流火箭專家和資料器材席卷而去，蘇聯(lián)如夢初醒后亡羊補牢，急忙將剩下的德國科學(xué)家和設(shè)備收拾干凈。毋庸置疑，后來的火箭都帶有V2血統(tǒng)，人們調(diào)侃說，“美、蘇火箭在天上見面后，一定會以母語德文互致問候。”
二戰(zhàn)期間德國發(fā)射V2火箭
1946年布勞恩等104位德國火箭科學(xué)家在美國布里斯堡
1958年布魯塞爾世博會拉開了太空時代的序幕，也宣告了“太空競賽”的開始。1957年10月4日，蘇聯(lián)用R7捆綁式二級火箭成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星斯普尼克1號，重83.6千克，僅攜帶一臺無線電發(fā)射裝置，沿著遠(yuǎn)地點939千米的橢圓軌道運行3個月、1440圈。11月3日接著發(fā)射508.3千克的斯普尼克2號，運行162天2570圈，搭乘的小狗來伊卡在進(jìn)入軌道6小時后因艙內(nèi)高溫而死去，但卻留下了超重和失重時心率、血壓、呼吸等生理數(shù)據(jù)，為人類進(jìn)入太空鋪平了道路，這個莫斯科“街頭流浪犬”成為萬古流芳的第一只“太空狗”。布魯塞爾世博會上，龐大的蘇聯(lián)館中央高懸著兩顆人造衛(wèi)星的實體模型，千百萬觀眾懷著不同的心態(tài)瞻望人類力量第一次“拋到天上不再掉下來的東西”。赫魯曉夫放言“美國已經(jīng)安睡在蘇聯(lián)的月光下”，讓白宮驚慌失措和心急如焚。這一局勢隱喻著整個美國已經(jīng)暴露在蘇聯(lián)的核打擊之下。1958年1月31日，美國成功發(fā)射了13.97千克的衛(wèi)星探索者1號，并用蓋革計數(shù)器發(fā)現(xiàn)了地球上空的“范艾倫輻射帶”。1958年7月29日艾森豪威爾總統(tǒng)簽署《美國國家航空及太空法案》，正式成立國家航空航天局，簡稱NASA?？梢?#8220;太空競賽”的本質(zhì)是軍備競賽。1958年12月，美國試圖把第一個靈長目動物——猴子戈多送上太空而未能成功，蘇聯(lián)卻在1960年8月19日將兩只小狗送上地球軌道并安全返回。接著“平地一聲雷”，1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍上尉加加林乘坐東方1號飛船在遠(yuǎn)地點301公里的軌道上繞地一周，歷時108分,然后從7000米高空跳傘安全著陸，成為人類歷史上第一個“太空人”。遼闊的蘇聯(lián)國土一片沸騰，莫斯科舉行盛大儀式歡迎九天凱旋的英雄，早期美、蘇太空競賽中，蘇聯(lián)幾乎連連得分，步步領(lǐng)先，成為無可爭議的贏家。
1958年布魯塞爾世博會蘇聯(lián)館中央高懸著第一顆人造衛(wèi)星
羅馬尼亞為慶祝蘇聯(lián)衛(wèi)星斯普尼克2號而發(fā)行的郵票
1958年1月31日美國舉行探索者1號新聞發(fā)布會（右1為布勞恩）
1961年4月14日加加林與赫魯曉夫觀禮莫斯科紅場歡迎儀式的盛大游行
1962年西雅圖世博會是在冷戰(zhàn)時代“最冷點”和太空競賽“最熱點”召開的。蘇聯(lián)和東歐國家均未參加，人稱“冷戰(zhàn)世博會”。600英尺高的太空針昭示著宇航時代到來，波音公司太空館每10分鐘將750名觀眾送往“銀河外”旅行。NASA館則第一次向美國公眾展出了各種火箭、衛(wèi)星和航天計劃。最轟動的事件是當(dāng)年2月20日，格林乘坐水星計劃友誼7號飛船繞地3匝，歷時4小時55分23秒，成為美國第一個“太空人”。世博會上展出了格林的太空艙，此后便送到史密森尼博物館永久保存。5月10日，格林在布勞恩陪同下來到世博會，所到之處追慕者如醉如狂。有個情節(jié)頗富戲劇性，蘇聯(lián)第二個太空人季托夫也以私人名義出席了西雅圖世博會。當(dāng)記者向這兩位“太空人”問道“在天上是否見到了上帝”時，季托夫回答“我只相信人類的力量、潛能和理性。”格林則回答說“上帝不會小到讓你能從外層空間看到他。”而在西雅圖世博會開幕前的1961年5月25日，肯尼迪總統(tǒng)便向全世界宣布一項重要的國家目標(biāo)，在60年代之內(nèi)把人類送上月球。航天史上最壯闊和浩大的阿波羅登月計劃拉開了序幕。
1962年西雅圖世博會波音公司太空館
1962年西雅圖世博會NASA館展出格林乘坐的太空艙“友誼7號”
1962年西雅圖世博會上格林為公眾簽字留念
1964年紐約世博會也是美國向月球進(jìn)軍的誓師會和動員會。NASA和國防部聯(lián)合開設(shè)了“太空園”，將美國航天的“家底”掃數(shù)展出。高聳的火箭鱗次櫛比，各種衛(wèi)星、飛船目不暇接，大有“沙場秋點兵”之勢。特別阿波羅飛船和大推力運載火箭土星5號全陣容亮相，令登月計劃深入人心。1967年蒙特利爾世博會是阿波羅計劃的又一次造勢，美國圓球形展館頂部的“太空觀景臺”展示了登月方案的細(xì)節(jié)和實體模型。到了1970年大阪世博會，美國館已經(jīng)成為阿波羅計劃大獲全勝、慶功獻(xiàn)捷的發(fā)布會。1969年7月16日，阿波羅11號從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心升空，休斯頓時間7月20日下午4時17分43秒在月球“靜海”著陸。7月21日凌晨2點56分，宇航員阿姆斯特朗的左腳踏上了月面，并說出了萬古流芳的名言“這是一個人的一小步，卻是人類的一大步。”阿波羅計劃的成功是世界文明史空前的奇勛，科學(xué)家選擇了絕妙的“月球軌道集合”方案，由較大的指令-服務(wù)艙攜帶較小的登月艙進(jìn)入月球軌道，登月艙又由形同蜘蛛的“下降級”和“上升級”兩部分組成。與指令-服務(wù)艙分離后“下降級”逆向點火減速著陸，一名宇航員留在指令-服務(wù)艙內(nèi)繼續(xù)繞月球飛行。返回時“下降級”被棄置，“上升級”克服很小的月球重力起飛，與指令-服務(wù)艙會合后留在繞月軌道上直至墜毀。裝有隔熱層的指令艙進(jìn)入地球大氣層前再次丟棄服務(wù)艙并張傘濺落。阿波羅計劃共有6次、12名宇航員登上月球，先后投入人力40多萬，資金254億美元，不僅全面增進(jìn)了對月球的認(rèn)識，也帶動了航天、通信、計算機等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。阿波羅1號3名宇航員不幸遇難和阿波羅13號化險為夷的故事，則永遠(yuǎn)載入人類的航天史冊。大阪世博會上，美國館的“鎮(zhèn)館之寶”是阿波羅11號運回地球的“月亮石”，公眾要排5小時隊才能看看阿姆斯特朗用鉆桿從另一個星球上鑿下的神奇標(biāo)本。阿波羅8號指令艙的“原件”和阿波羅11號登月艙的模型前同樣人潮涌動，6400萬觀眾沐浴了“阿波羅”帶來的“月光”。而蘇聯(lián)館巨大的火箭和聯(lián)盟號飛船雖昂然挺立，阿波羅的捷足先登已經(jīng)宣告了美國在“太空競賽”中獲勝。1975年7月，阿波羅飛船執(zhí)行最后的使命，與蘇聯(lián)飛船聯(lián)盟19號在太空“握手言歡”。17日16時零9分，兩艘飛船如約相會于法國洛林地區(qū)上空并成功對接，兩位指令長實現(xiàn)了不同國籍宇航員第一次歷史性的太空握手，雙方宇航員互相“串門”并交換禮物和共進(jìn)晚餐。“美蘇太空爭霸戰(zhàn)”到此畫上了句號。這是世界和平的福音和航天技術(shù)的凱歌。
1964年紐約世博會“太空園”展出的土星5號火箭推進(jìn)器
1967年蒙特利爾世博會美國館展出阿波羅登月計劃
1970年大阪世博會美國館展出阿波羅登8號指令艙
1975年7月17日阿波羅飛船和聯(lián)盟19號飛船對接示意圖
