科学松鼠会 ? [世博会的科学传奇]之太空探秘（上）

[世博会的科学传奇]之太空探秘（上）Comments>>| Tags 标签：世博会,原创,航天器材    科学松鼠会 发表于 2010-04-03 13:29

文：赵致真

天文学不仅是古代科学的源头和摇篮，也是是近代科学的“重镇”和前沿。在银河系的“万家灯火”中，人类在一盏叫做太阳的温暖“灯光”下成长了自己的文明，并向着辽阔的宇宙张望。我们今天已经把望远镜伸向100亿光年之外的太空深处，我们的航天器已经飞向茫茫银河之滨。我们已经在探索黑洞、类星体、暗物质、暗能量的奥秘并推究宇宙的起源和终结。大自然也许正是通过进化出人类来实现自我认识的。

1933年芝加哥世博会没有请总统按下“金键钮”。开幕式的“指令”来自遥远苍穹的“星星之火”。叶凯士天文台用1米口径、世界上最大的折射望远镜对准牧夫座α，即北半球夜空最明亮的大角星，将捕捉到的光线转化为电信号输送到世博会的阿德勒天文馆，开启了展区的万盏华灯和千尺喷泉。大角星距离地球约40光年，因此1933年“到达”芝加哥世博会的大角星光线恰恰是1893年芝加哥世博会期间“出发”的。这一设计最巧妙体现了两届世博会的传承和联系。大角星由此变得家喻户晓。三五成群的公众仰望星空指指点点，成了这届世博会的独特景观。

大角星开启1933年世博会的纪念邮品

1921年爱因斯坦和叶凯士天文台工作人员合影

1933年芝加哥世博会阿德勒天文馆

1851年伦敦世博会上，著名的罗斯天文望远镜和库克天文望远镜便巍然雄踞在水晶宫中央。1867年巴黎世博会的西克雷坦公司大型天文望远镜、1876年费城世博会的海军天文台望远镜，都点染着展区的现代气息和科技品位。1893年芝加哥世博会上，叶凯士望远镜的镜片尚未打磨成功，便迫不及待向公众展示了18米长的镜筒和18吨重的镜身。最轰动一时的望远镜出现在1900年巴黎世博会上，这是法国人德隆科尔制造的长60米、口径1.25米的“观天巨眼”。超高超重的身躯根本无法竖起，只能横卧在离地面7米高的水平支架上，靠一面镜子反射输入光线。这台望远镜完全是为世博会展览制作的，并没有考虑实用性，世博会闭幕后找不到一家买主，只能以解体告终，仅剩下硕大的镜头还保存在巴黎天文台，成为望远镜制造历史上科研与经营双重失败的典型案例。

1851年伦敦世博会罗斯天文望远镜

1867年巴黎世博会天文望远镜

1893年芝加哥世博会叶凯士天文望远镜（镜头尚未完工）

1900年巴黎世博会上德隆科尔巨型天文望远镜

无法逾越的巨大尺度使天文学难以成为实验科学，一切研究只能靠细微的观察和精密的计算。因此，没有望远镜就没有现代天文学。1608年荷兰眼镜制造商利普赛发明望远镜后，伽利略立即加以改造并指向苍穹，成为“发现新天空”的“哥伦布”。这是一个用平凸透镜做物镜，以凹透镜做目镜的简单光学装置，直径4.2厘米的“大眼睛”能比裸眼捕捉更多的光线并汇聚在目镜后，让人看到一个更大、更亮的虚像。1610年，伽利略发表了划时代的著作《星际使者》，朦胧的银河原来是无边的星海，皎洁的月亮竟然布满了环形山，灿烂的太阳哪知会有黑子，而金星的相位变化和木星的4颗卫星恰恰是日心说最可靠的证据。伽利略手中的2小块玻璃永远改变了人类和自然的关系。1611年，开普勒将目镜换成凸透镜并置于物镜的焦点之后，从而看到一个放大的颠倒实像。开普勒望远镜视场更宽广、成像更清晰。增大口径为了收集更多光线，减小曲率能减少球面像差，正是不断加长的焦距，形成了开普勒望远镜修长而壮观的独特造型。

1609年伽利略望远镜

伽利略的《星际使者》和改变世界的两只镜片

1673年赫维留斯制造的45米长、4透镜“长镜身”望远镜

由于不同波长的光线经过透镜时折射率不同，难免带来彩虹般的色差；巨大的镜片只能靠边框支撑，长期重力作用会造成形变而影响精度。1668年，牛顿制造了第一架反射望远镜。将折射光线的凸透镜变成了反射光线的凹面镜，主镜尺寸更容易增大，而且能用更多支撑点承受自身重量。反射望远镜很快成了大型天文台的首选和主流。1851年伦敦世博会举办时，天文学已经硕果累累。惠更斯、卡西尼、哈雷、赫歇尔、梅西耶、皮亚齐、夫朗禾费等一代代天文大师炳若群星，罗斯伯爵的1.8米反射望远镜已经能够看到遥远的旋涡星系。而真正把望远镜神话推向高潮的是天文奇才海尔，他以“三级跳”的跨越，连续制造了1.53米口径的威尔逊天文台望远镜，2.54米口径的胡克望远镜和5.08米口径的海尔望远镜。1923年，哈勃就是用胡克望远镜发现仙女座等星系都是我们银河系之外遥远的“宇宙岛”，1929年观测到遥远天体的光波被“拉长”而向光谱红端移动，并且“红移”量和距离成正比，为宇宙膨胀理论找到最确凿的证据。此后更大的反射望远镜不断问世。1930年，施密特集中了折射和反射式望远镜的优点，制造出视场大、像差小的折反式望远镜。天文摄影技术也日臻成熟。观测工具的每次升级换代，都带来了天文学的新飞跃和大丰收。

牛顿反射式望远镜

第三代罗斯伯爵1.8米口径望远镜

1931年爱因斯坦在哈勃（中）陪同下观看胡克望远镜

帕洛玛天文台5.08米口径海尔望远镜

1962年西雅图世博会开幕式的设计可谓独出心裁和别开生面。正在佛罗里达棕榈滩度假的肯尼迪总统按动“金键钮”，首先触发远在缅因州安杜夫的大型射电望远镜，接收到10000光年外仙后座A超新星遗迹的电磁辐射，这是天空中强度仅次于太阳的射电源，再将信号转送到西雅图世博会场。刹那间无数声光电设备同时发动，2000个气球腾空而起。这一开启仪式无疑最能紧扣“太空时代的人类”主题，和1933年用大角星光线启动芝加哥世博会相比，天文学更加突飞猛进，“射电天文学”已经成为异军突起的全新分支。

1962年4月21日肯尼迪总统准备按动金键钮开启西雅图世博会

人类眼中的“万紫千红”原来只是电磁波中380纳米到750纳米波长的“可见光”，对于红外和紫外的波段我们就“有眼如盲”，光学望远镜也“视而不见”了。射电天文学的观测领域是天体发出的无线电波,波长从1毫米到30米之间，这是我们通过大气层瞭望太空的又一个宝贵窗口。1931年8月，贝尔电话实验室工程师央斯基为了搜寻无线通讯中的天电干扰，在新泽西制作了一架30多米长的天线阵，安装在4个福特T型汽车轮子上。这座“央斯基旋转木马”无意中接收到了来自人马座方向银河系中心稳定的无线电波，从此宣告了射电天文学的诞生。1937年，美国工程师雷伯制造了第一架射电望远镜，并在1941年扫描天宇，得到最早的银河系射电天图。由于可见光在传播中会被星际尘埃阻挡，而无线电波却可以长驱直入，还有些天体只发出“非热辐射”，因此射电望远镜送来了许多新的谜团和答案。望远镜的空间分辨率和口径成正比，和波长成反比，无线电波段的波长比光学波段长百万倍，难怪射电望远镜个个看上去都“大模大样”和“大摇大摆”了。英国洛弗尔射电望远镜口径76米，澳大利亚帕克斯射电望远镜口径64米，德国埃费尔斯贝格射电望远镜和美国格林班克口径均为100米，1963年建成的阿雷西伯射电望远镜口径达305米。英国科学家赖尔1946年便制造出射电干涉仪，将一定距离下2个天线信号的相位进行叠加，从而提高射电望远镜分辨率。1971年在剑桥大学建成综合孔径射电望远镜，8面13米口径的抛物面天线排列在5000米长的基线上，美国、荷兰、澳大利亚、印度急起直追，射电望远镜的灵敏度、分辨率和成像效果已经和光学望远镜并驾齐驱了。类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，二十世纪六十年代天文学的这“四大发现”都是射电望远镜划时代的独特贡献。

复制的1931年“央斯基旋转木马”

雷伯1937年制造的第一架射电望远镜

英国洛弗尔射电望远镜

澳大利亚帕克斯射电望远镜

德国埃费尔斯贝格射电望远镜

美国格林班克射电望远镜

美国阿雷西博射电望远镜

剑桥大学赖尔综合孔径射电望远镜

美国新墨西哥州甚大阵综合孔径射电望远镜

各民族的祖先都曾梦想摆脱大地的束缚，飞向浩淼的天宇。1901年美国布法罗世博会“月球旅行”的价值曾长期被忽略和低估，这是汤普森为中途乐园设计的游艺项目，第一次用“飞行器”将游客送上想象中的“月球”。1902年，法国早期电影导演梅里埃根据儒勒凡尔纳的科幻小说拍摄了14分钟电影《月球之旅》，描述6名科学家乘坐“炮弹”射向月亮，以及在月球王国的许多奇遇。我们不妨以炮弹为例，飞行速度越快无疑会落得越远，当速度达到每秒7.9公里时，下落的弧度将和地球的曲率一致，炮弹就会绕着地球转圈而不再落到地面了。这便是理论上的“环绕速度”或“第一宇宙速度”。俄国宇航先驱齐奥尔科夫斯基1903年便提出以液态氧和氢作燃料，用多级火箭达到宇宙速度。

1901年布法罗世博会中途乐园“月球旅行”

1902年科幻电影“月球之旅”

第二次世界大战中德国发射了3000多枚V2火箭，这种新武器以酒精和液态氧为燃料，速度能达到每秒1.6公里，是最早的“亚轨道飞行器”。纳粹政权溃败前夕，美国以高度战略智慧实施绝密的“回形针行动”，将布劳恩等德国第一流火箭专家和资料器材席卷而去，苏联如梦初醒后亡羊补牢，急忙将剩下的德国科学家和设备收拾干净。毋庸置疑，后来的火箭都带有V2血统，人们调侃说，“美、苏火箭在天上见面后，一定会以母语德文互致问候。”

二战期间德国发射V2火箭

1946年布劳恩等104位德国火箭科学家在美国布里斯堡

1958年布鲁塞尔世博会拉开了太空时代的序幕，也宣告了“太空竞赛”的开始。1957年10月4日，苏联用R7捆绑式二级火箭成功发射了第一颗人造卫星斯普尼克1号，重83.6千克，仅携带一台无线电发射装置，沿着远地点939千米的椭圆轨道运行3个月、1440圈。11月3日接着发射508.3千克的斯普尼克2号，运行162天2570圈，搭乘的小狗来伊卡在进入轨道6小时后因舱内高温而死去，但却留下了超重和失重时心率、血压、呼吸等生理数据，为人类进入太空铺平了道路，这个莫斯科“街头流浪犬”成为万古流芳的第一只“太空狗”。布鲁塞尔世博会上，庞大的苏联馆中央高悬着两颗人造卫星的实体模型，千百万观众怀着不同的心态瞻望人类力量第一次“抛到天上不再掉下来的东西”。赫鲁晓夫放言“美国已经安睡在苏联的月光下”，让白宫惊慌失措和心急如焚。这一局势隐喻着整个美国已经暴露在苏联的核打击之下。1958年1月31日，美国成功发射了13.97千克的卫星探索者1号，并用盖革计数器发现了地球上空的“范艾伦辐射带”。1958年7月29日艾森豪威尔总统签署《美国国家航空及太空法案》，正式成立国家航空航天局，简称NASA。可见“太空竞赛”的本质是军备竞赛。1958年12月，美国试图把第一个灵长目动物——猴子戈多送上太空而未能成功，苏联却在1960年8月19日将两只小狗送上地球轨道并安全返回。接着“平地一声雷”，1961年4月12日，苏联空军上尉加加林乘坐东方1号飞船在远地点301公里的轨道上绕地一周，历时108分,然后从7000米高空跳伞安全着陆，成为人类历史上第一个“太空人”。辽阔的苏联国土一片沸腾，莫斯科举行盛大仪式欢迎九天凯旋的英雄，早期美、苏太空竞赛中，苏联几乎连连得分，步步领先，成为无可争议的赢家。

1958年布鲁塞尔世博会苏联馆中央高悬着第一颗人造卫星

罗马尼亚为庆祝苏联卫星斯普尼克2号而发行的邮票

1958年1月31日美国举行探索者1号新闻发布会（右1为布劳恩）

1961年4月14日加加林与赫鲁晓夫观礼莫斯科红场欢迎仪式的盛大游行

1962年西雅图世博会是在冷战时代“最冷点”和太空竞赛“最热点”召开的。苏联和东欧国家均未参加，人称“冷战世博会”。600英尺高的太空针昭示着宇航时代到来，波音公司太空馆每10分钟将750名观众送往“银河外”旅行。NASA馆则第一次向美国公众展出了各种火箭、卫星和航天计划。最轰动的事件是当年2月20日，格林乘坐水星计划友谊7号飞船绕地3匝，历时4小时55分23秒，成为美国第一个“太空人”。世博会上展出了格林的太空舱，此后便送到史密森尼博物馆永久保存。5月10日，格林在布劳恩陪同下来到世博会，所到之处追慕者如醉如狂。有个情节颇富戏剧性，苏联第二个太空人季托夫也以私人名义出席了西雅图世博会。当记者向这两位“太空人”问道“在天上是否见到了上帝”时，季托夫回答“我只相信人类的力量、潜能和理性。”格林则回答说“上帝不会小到让你能从外层空间看到他。”而在西雅图世博会开幕前的1961年5月25日，肯尼迪总统便向全世界宣布一项重要的国家目标，在60年代之内把人类送上月球。航天史上最壮阔和浩大的阿波罗登月计划拉开了序幕。

1962年西雅图世博会波音公司太空馆

1962年西雅图世博会NASA馆展出格林乘坐的太空舱“友谊7号”

1962年西雅图世博会上格林为公众签字留念

1964年纽约世博会也是美国向月球进军的誓师会和动员会。NASA和国防部联合开设了“太空园”，将美国航天的“家底”扫数展出。高耸的火箭鳞次栉比，各种卫星、飞船目不暇接，大有“沙场秋点兵”之势。特别阿波罗飞船和大推力运载火箭土星5号全阵容亮相，令登月计划深入人心。1967年蒙特利尔世博会是阿波罗计划的又一次造势，美国圆球形展馆顶部的“太空观景台”展示了登月方案的细节和实体模型。到了1970年大阪世博会，美国馆已经成为阿波罗计划大获全胜、庆功献捷的发布会。1969年7月16日，阿波罗11号从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空，休斯顿时间7月20日下午4时17分43秒在月球“静海”着陆。7月21日凌晨2点56分，宇航员阿姆斯特朗的左脚踏上了月面，并说出了万古流芳的名言“这是一个人的一小步，却是人类的一大步。”阿波罗计划的成功是世界文明史空前的奇勋，科学家选择了绝妙的“月球轨道集合”方案，由较大的指令-服务舱携带较小的登月舱进入月球轨道，登月舱又由形同蜘蛛的“下降级”和“上升级”两部分组成。与指令-服务舱分离后“下降级”逆向点火减速着陆，一名宇航员留在指令-服务舱内继续绕月球飞行。返回时“下降级”被弃置，“上升级”克服很小的月球重力起飞，与指令-服务舱会合后留在绕月轨道上直至坠毁。装有隔热层的指令舱进入地球大气层前再次丢弃服务舱并张伞溅落。阿波罗计划共有6次、12名宇航员登上月球，先后投入人力40多万，资金254亿美元，不仅全面增进了对月球的认识，也带动了航天、通信、计算机等产业迅速发展。阿波罗1号3名宇航员不幸遇难和阿波罗13号化险为夷的故事，则永远载入人类的航天史册。大阪世博会上，美国馆的“镇馆之宝”是阿波罗11号运回地球的“月亮石”，公众要排5小时队才能看看阿姆斯特朗用钻杆从另一个星球上凿下的神奇标本。阿波罗8号指令舱的“原件”和阿波罗11号登月舱的模型前同样人潮涌动，6400万观众沐浴了“阿波罗”带来的“月光”。而苏联馆巨大的火箭和联盟号飞船虽昂然挺立，阿波罗的捷足先登已经宣告了美国在“太空竞赛”中获胜。1975年7月，阿波罗飞船执行最后的使命，与苏联飞船联盟19号在太空“握手言欢”。17日16时零9分，两艘飞船如约相会于法国洛林地区上空并成功对接，两位指令长实现了不同国籍宇航员第一次历史性的太空握手，双方宇航员互相“串门”并交换礼物和共进晚餐。“美苏太空争霸战”到此画上了句号。这是世界和平的福音和航天技术的凯歌。

1964年纽约世博会“太空园”展出的土星5号火箭推进器

1967年蒙特利尔世博会美国馆展出阿波罗登月计划

1970年大阪世博会美国馆展出阿波罗登8号指令舱

1975年7月17日阿波罗飞船和联盟19号飞船对接示意图