第一章
离开地球

“我知道我本是凡人，昙花一现。追踪天体的往复律动时，我心怀喜悦，身离俗世。我与宙斯同在，共饮仙酿。”

——托勒密——

《天文学大成》

至少从人类仰望星空开始，星空就一直在指引、启迪和鼓舞着人类。不知道是谁第一次梦想离开地球去探索远方，也不知道是谁第一次怀疑远方是否真实存在。但我们知道，太阳、月亮和闪闪发光的苍穹的诱惑在人类数千年的文化史中都有回响。

确凿的证据可以追溯到4万年或更久之前的洞穴壁画和岩石雕刻，这些原始艺术不仅记录了动物和猎人，还记录了彗星、流星和星座，其细节足以追踪地球在自转轴上的缓慢摆动，即岁差。在有着4 000年历史的古美索不达米亚（今伊拉克）的《吉尔伽美什史诗》（Epic of Gilgamesh）中，充盈着冒险、英雄、恶棍、浪漫和战斗，星座就像故事中的人物一样栩栩如生。在这部现存最古老的文学作品中，宇宙之线将凡人和仙界联系在一起，而时间和距离则由星辰的运动来衡量。

几千年来，人类一直合理地认为月球是一个平面的发光圆盘，会出现周期性的月圆月缺。直到17世纪，伽利略大胆地将他刚刚完善的望远镜转向天空，发现月球是具有纹理的球体，锯齿状的山脉沐浴在阳光下，倾斜的山谷笼罩在阴影中。从那一刻起，天空和其中的所有天体都成了具体的世界，是人类可能漫步的表面，只要我们能以某种方式穿越太空深处，这些天体都可以成为目的地。从那时起，尤其是到了20世纪，科学家、工程师、冒险家和政治家们竞相攀登新的高峰。好奇心、竞争和急切的创新带我们穿越透明大气层的门户，并超越了它。

但是在我们能够穿透天空，知道它可以航行之前，人类首先必须发现天空是什么、不是什么，以及是否有尽头——如果有的话，尽头又在哪里。我们很快就会知道，我们的大气层不过是一个蓝色的气泡，它会消散在荒凉的真空中，那里没有我们舒适的地球中所含有的粒子、压力和光子。我们一步一步，一个问题接着一个问题，一个发现接着一个发现，穿过了气泡，到达气泡之外的世界。

在这一部分，我们将追踪人类从地球表面升空的英雄之旅。我们首先乘坐气球，再是螺旋桨飞机，接着是喷气式飞机，最后是火箭，一直抵达月球。我们将学会如何在大气层中穿行，如何克服长期以来束缚人类想象力的重力。

从很久以前风干褪色的洞穴壁画到今天墨迹未干的量子方程，我们从一种世界观上升到另一种世界观，在这样的过程中，好奇心、发现、动荡和反思循环往复，形成了这个尚未终结的故事。

宇宙之旅开始了。

地球的大气层

我们盼望着像鸟儿一样翱翔，在起飞愿望的驱使下，人类在古老的故事中飞上了天空。在许多文化的古代传说和神话中，人类飞行的故事层出不穷。亚历山大大帝经常被描绘成乘坐长着翅膀的战车，由四只神话中的狮鹫（狮身鹰翼鹰首兽）拉着腾空而起。考伊琴原住民的传说讲述了这样的故事：两个男孩对着独木舟唱歌，让独木舟从建造它的山顶飞过他们的村庄，飞向大海。古梵文史诗《罗摩衍那》和其他古印度典籍都描述了飞行的“维摩那”（vimana），即众神的自动战车。

最著名的人类飞行故事之一，是希腊神话中代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯的故事。如果有人告诫过你不要飞得离太阳太近，他们就是在回顾这个古老的传说，警告你不要受到过度冒险和刺激的诱惑。

为了逃离克里特岛，工匠兼飞行员代达罗斯用蜡封粘的羽毛制作了两副翅膀：一副给自己，另一副给伊卡洛斯。他叮嘱儿子飞行时既不要太靠近大海，以免打湿羽毛，也不要太靠近太阳，以免高温熔化蜡。但是，年少叛逆的伊卡洛斯向着太阳越飞越高，直到翅膀上的蜡熔化，他坠入了无情的爱琴海中死去。这个警世故事比我们理解热力学、空气动力学和大气物理学的年代早了两千年，所以我们可以原谅故事中的不准确之处。伊卡洛斯肯定会死，但死因不是太阳的热量。

我们现在知道，伊卡洛斯和讲述这个故事的古希腊人并不知道，地球的大气层分为五层：对流层是所有动植物赖以生存和呼吸的地方，聚集了地球上四分之三的空气分子和99%的水蒸气。几乎所有的天气都出现在这一密度最大的层——根据纬度和季节的不同，对流层距离地球表面4～12英里 。由于地球的温度不断攀升，对流层的高度每十年会上升近200英尺 。在对流层的底部，即海平面，如今全球平均气温盘旋在59华氏度 左右。在对流层顶与平流层的交汇处，平均气温降至零下70华氏度，甚至更冷。

但是如果阳光在到达地球之前必须首先穿过大气层，而且如果通过向上飞行，你离太阳越来越近，那么对流层顶部区域不应该像伊卡洛斯这个故事的作者推测的那样，比海平面更暖和吗？任何到过高海拔地区的人都可以回答这个问题。事实上，他们的经验表明可能情况恰恰相反。登山者们知道，根据计算，每上升1 000英尺，平均气温下降约3.5华氏度。在珠穆朗玛峰基地营，春季白天的平均气温为60华氏度，夏尔巴人和登山者如果能活着到达顶峰，身边的气温会下降到零下20华氏度左右。事实证明，地球表面的温度波动与地球和太阳的距离完全无关，温度变化一定另有原因。

我们先来看看伊卡洛斯离太阳有多近。我们假设他上升了10英里，这已经比任何飞机飞得都高了。太阳距离地球9 300万英里，那么伊卡洛斯飞得离太阳近了0.00001%。这么一点距离还不足以解释故事情节。

至于空气温度本身，我们必须首先掌握光和热之间的联系。我们的太阳发出电磁波谱中各种波长的光，为地球上几乎所有的生命提供能量。从长波长的柔和的无线电波到短波长的强烈的伽马射线，光谱是无穷无尽的。在长波和短波之间有一个狭窄的波段，我们称之为可见光，这是人眼能感知到的光谱的唯一部分。太阳等恒星散发出的近一半能量是可见光，一小部分是紫外线（UV，波长稍短），其余大部分是红外线（IR，波长稍长），我们感受到的是热。因此，地球上大多数动物进化出了能够感知无边界的电磁波谱中这些特定部分的复杂器官，这绝非巧合。

根据地球居民的进化过程，我们可以推测，环绕着不同类型恒星的另一颗行星上的外星人，也会发展出针对这种光组合的精密感知器官。环绕又冷又小的红矮星（银河系中最常见的恒星类型）的行星上的外星人，可能会看到他们的世界充斥着红外线，而难以感知高频的蓝色。

温度只是分子振动的一种度量，而所有分子都会振动。（在我们继续宇宙之旅的过程中，这是一个重要的事实。）任何温度高于绝对零度的物体，即宇宙万物，包括寒冷的冰山和最黑暗、最深邃的太空中的物质，都会释放电磁能。在较高温度下，发射的电磁能组合偏向于波长较短的光。温度越低，波长越长。太阳的平均表面温度约为10 000华氏度，在可见光频率上达到峰值，其他温度相近的物体也是如此。与此同时，地球上几乎所有的东西，包括我们98.6华氏度的身体和地球表面本身，都主要辐射波长较长（且不可见）的红外频率。这就是为什么晚上的篝火即使不再明显发光，第二天仍然会有余温。随着曾经烧得通红的煤块逐渐冷却，它发出的光的峰值频率会向下移动到更长的波长，并最终离开可见光谱。在你吃饱喝足后的很长一段时间里，这块煤炭依然暖烘烘的，充满了红外能量。

你是否注意到，正午的太阳处于最高点，但此时并不是一天中最热的时候，最热的时候出现在正午过后几个小时。我们在篝火中感受到但看不到的红外线，正是夏日午后闷热的原因。大气层会吸收太阳发出的部分红外光，并将其余的红外光传输到地球表面。但是太阳光最容易穿透空气的能量来自可见光，它可以毫发无损地穿透我们的大气层。我们的大气层对可见光是透明的，这一简单而深刻的事实让我们能够看到太阳、月亮和星座。

少量波长较短的紫外线也能穿透大气层和云层，这就是为什么黑色素缺乏的人即使在阴沉的日子里也要涂抹防晒霜，以避免晒伤和最终患上皮肤癌。当我们把脸转向太阳时，可见光和紫外线会与我们皮肤中的分子发生碰撞，激发其中的电子，将运动转化为热量，并将热量以红外辐射的形式散发出去。同样，地球表面的分子一旦吸收了各种波长的辐射，就会转化为红外线，并从地面重新发射出去。然后，红外能量通过大气层向上辐射，使吸收红外线的空气变暖。七月的一天之所以感觉炎热，不是因为太阳从上面加热了空气，而是因为地面从下面加热了空气。因此，对流层最热的部分位于地球表面。

地球发射的大部分红外线在返回太空的过程中，会与大气层中特定的分子发生碰撞，并被这些分子吸收。吸收能量后，这些分子会向各个方向重新发射能量，包括返回地球，在地球上被重新吸收和发射。我们把这种持续往复的循环称为温室效应。在更小的范围内，这种效应与发生在真正的温室和所有车窗紧闭的汽车内是一样的。可见光穿透透明玻璃，在内部转化为红外线，然后红外线被允许可见光穿透的窗户阻挡而无法逃逸。这样，室内空气的温度就会大大高于外部空气的温度，从而创造出一种封闭的小气候，让热带花卉感到舒适，而对于无人看管的宠物和儿童来说，这却是致命的。除非有车载木槿花或无花果的习惯，否则即使在阳光微弱的日子里，也最好把车窗打开。

事实上，地球上的生命受益于温和的温室效应。如果没有温室效应，地球的平均气温将保持在冰点以下，地球表面将变成冰雪冻原，不会出现我们所知的生命。幸运的是，我们的大气层通过气流在很大程度上稳定了昼夜温差。而在没有大气层的月球上，其表面温度波动很大，从白天炙热的250华氏度到夜晚寒冷的零下200华氏度。

那么，可怜的伊卡洛斯究竟会怎样呢？他的第一个愚蠢之处在于不了解空气动力学：他根本不可能升空逃离克里特岛。我们可以从小天使和秃鹰身上得到启示。它们都有翅膀，重量也差不多。但是，秃鹰真的会飞，而且不需要文艺复兴时期的画家的帮助。因此，小天使如若要飞，就需要像秃鹰那样的10英尺的翼展。如果按比例放大到一个成年人的体重，那么伊卡洛斯就需要大十倍的翅膀，以及需要合适的胸肌来扇动翅膀。因此，如果伊卡洛斯想飞，他就会摔个四脚朝天。

撇开这一点不谈，如果伊卡洛斯真的朝太阳飞去，他的身体和翅膀非但不会熔化，反而会在上升的过程中冻结，从而注定也会摔个粉身碎骨。1920年，著名的天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士对这一传说做出了更为宽容的解释：“也许伊卡洛斯还是有些可取之处的……我更愿意认为是他揭示了当时飞行器在结构上的缺陷。”

超越对流层

对流层，源于希腊语的tropo，意为“变化”或“转弯”，其特点不仅在于对流层内天气多变，还在于对流层内的热量会随着高度的增加而流失。对流层再往上一层，即平流层，则具有完全相反的热现象：随着平流层高度的增加，温度也随之升高。那里一定有什么东西在吸收能量，增加空气分子的振动率。其起因是什么？平流层是臭氧层的所在地，臭氧层充满了高浓度的三原子臭氧分子（O 3 ），几乎可以全部吸收太阳光中最有害的紫外线。一个紫外线光子携带的能量刚好足以分解臭氧分子，将O 3 变成O 2 +O。奇怪的是，同样的紫外线会分解O 2 ，留下O+O，让每个O原子与游离的O 2 分子重新结合，恢复失去的臭氧：

O 3 +UV→O 2 +O

O 2 +UV→O+O

O+O 2 →O 3

换句话说，臭氧层在分子裂解和重新形成的湍流舞蹈中与太阳的紫外线通量保持平衡。如果没有这个保护层，太阳的紫外能量会对地球表面任何生物的DNA（脱氧核糖核酸）造成难以言喻的伤害。

再往上一层是中间层，流星体在这里燃烧，形成耀眼的流星。再上面是热层，国际空间站（ISS）和数以千计的卫星通过热层环绕地球运行。热层的密度只有海平面空气的百万分之一，但它承载着最多的太阳活动。这一层是美丽的北极光和南极光的家园。

热层之所以如此命名——thermo，这个词源于希腊语中的“热”——是因为从某种意义上说，热层是最热的一层。我们通过分子振动来测量温度，通过将所有驻留分子的振动能量相加来测量热量。分子在上层的振动速度最快，但这些分子非常稀疏，几乎无法附着于人体。事实上，你如果不先穿上太空服就进入热层，很可能在感受到明显的温暖之前就会因缺氧而窒息。

热层外围是外逸层，它是我们大气层的最后一层，也是最外层，其范围远远超过了其他所有区域的总和，只包含微量的大气分子。

空气的重量

你是否用过“轻如空气”这个短语？如果用过，你可能在描述的过程中忽略了空气的重量。是的，空气是有重量的。这个重量表现为气体压强，也就是气压。下一个问题很明显：什么是压强？

每一天，压强都以重要或不重要的方式出现在你的生活中。你的菜刀锋利吗？你坐的椅子有多舒服？为什么你的高跟鞋比平底鞋更痛？简单来说，压强就是力（你的刀子、你坐在椅子上的屁股、你的整个身体等任何物体的重量）除以施加力的面积（刀刃的边缘、椅垫在你屁股上的轮廓、你可怜的脚趾）。换句话说，面积越小，给定力所产生的压强就越大。

那么，如果你必须穿越结冰的湖面，该如何做呢？将这一原则付诸行动。脚很小的人比体重相同但穿雪鞋的人更容易踩破薄薄的冰层，穿着雪鞋可以将体重分散到更大的面积上，对冰面减轻压强。还在担心吗？你最好的办法就是躺下，然后一英寸 一英寸地爬过去，将你的重量分散到整个身体的面积上。

如果空气的重量会产生气压，这就意味着空气会产生可测量的力。想象一下，你在海平面上，比如当地的海滩上，带着一个一英寸见方的空玻璃柱，将它的一端放在地面上，让上端像杰克的豆茎一样神奇地笔直向上生长，直到到达地球大气层的外部极限。现在，你以切割饼干的方式，已经切出一根长长的气柱。如果你把这根柱子里的所有空气放到天平上，它的重量将接近15磅 。这15磅的重量每天压在你身体的每平方英寸上。但是如果有人把15磅的重物放满你身体的每平方英寸，你就无法挺胸呼吸了。这到底是怎么回事？人类如何在如此巨大的压力下生存？

流体中的压力表现在各个方向，而不仅仅是向下。空气被归类为流体，这看似很奇怪。根据定义，流体按照容器的形状塑形，气体和液体显然都是如此。因此，向下压迫你身体的空气也必须像其他流体一样，在各个方向上表现出来。向下的压力与向上、向侧面和向四周各个方向的压力是一样的。所有这些力都被抵消了，而且假设你的肺里有空气，你根本感觉不到空气的重量。

如果以某种方式消除平衡力呢？使用过吸盘的人都做过这样的实验。当你把吸盘贴紧坚硬、光滑、平坦的表面时，你会发现很难把它拔起来。事实上，这正是吸盘的作用。吸盘越大，就越难把它从表面拔起来，即使没有胶水或其他黏性物质将其粘在上面。

为什么？因为吸力不是力，而是大气压力对真空的反应。现在，每平方英寸15磅的气压将橡胶吸盘推向其固定的表面，形成真空，并消除其背后的任何平衡力。因此，如果你的吸盘面积是10平方英寸，那么你要面对的大气压力就是10根柱子的空气。10乘以15磅意味着你现在必须施加150磅的力，也就是大概一个成年人的体重，才能松开吸盘。

气压在各个方向的作用相同，所以你的吸盘在任何方向都能发挥作用。在许多抢劫题材的电影中，鬼鬼祟祟的窃贼会使用吸盘鞋和手套攀爬墙壁与天花板，以躲避侦查或避免触发激光警报器。理想情况下，一些附加装置会将空气泵入或排出吸盘鞋，这样主人公就不用每走一步都要承受150磅的压力。

但是，流体的作用不仅仅是形成容器的形状。它们的另一个显著特性是其中的浮力。传说，公元前250年左右，古希腊数学家、叙拉古的阿基米德在古希腊的一个公共浴室度过愉快的时光时发现了浮力，并惊呼：“尤里卡！（我找到了！）”

根据这个古老的传说，叙拉古僭主雇用了一位金匠，让他用事先称好的一块金子制作一顶王冠。金匠答应了，并很快完成了任务。僭主既多疑又贪婪，他想确定金匠是否偷了一些金子，换上了价值更低的银子。于是，他求助于以数学成就闻名的阿基米德，请他设计一个策略，以确定王冠的真伪和金匠的诚信。有什么地方比在浴室里更适合思考这个问题呢？当阿基米德把身体浸入盛满水的浴盆里时，他注意到浴盆里的水溢出来了，这时他意识到溢出来的水的体积与他浸入水中的身体部分的体积相等。

阿基米德知道黄金原来的重量，现在又知道了如何测量不规则形状物体的体积，因此他可以通过比较密度来确定真伪。密度是物体的质量（在阿基米德的例子中是重量）除以体积（或大小）。阿基米德得到了一块纯银和一块纯金，每块的质量（或重量）都与王冠的相同。然后，他将金块浸入装满水的碗中，测量金块流出的水量。然后，他用银块重复这个实验，并比较了两次测量结果。由于银的密度小于金，银块比相同质量的金块更大，流出的水也更多。为了完成实验，阿基米德最后把僭主的王冠放进了同一个装满水的碗里。如果王冠是由纯金制成的，它流出的水量就会与未成型的纯金块相同。但事实并非如此：它流出了更多的水。因此，阿基米德用他巧妙的新方法证明金匠确实欺骗了僭主——故事就是这么说的。

这种方法适用于任何流体中的任何物体。（万一你要验证一顶金王冠的真伪，知道这一点很有好处。）不过，这里面还有更多玄机。阿基米德在他的著作《论浮体》中写道，任何完全或部分浸入流体中的物体都会受到一个向上的力，这个力等于流体的重量，这就是浮力的原因。如果任何物体的重量小于它所排开液体的总重量，它就会浮起来。

对浮力的利用彻底改变了全球工业、政治和社会。例如，一块钢容易下沉，而一块木头容易漂浮，我们凭直觉就知道这一点。然而，自19世纪中叶以来，木制战舰已升级为钢铁战舰，满载武器装备和水手大军。以前很容易被炮火击沉的战舰，现在变得足以抵挡攻击。一个世纪后，海上航行不再险象环生，而是成为一种吸引人的休闲方式。每年都有数百万人兴高采烈地登上用钢材焊接而成的数千英尺长的游轮。这些巨大的船只之所以能漂浮起来，是因为包括中空内舱的所有空气和其他设施在内的总重量小于它们所排开的水的重量。

船上的人呢？就其本身而言，我们的肌肉和骨骼会下沉，而脂肪会漂浮。但是，成年人体内约有60%的H 2 O（婴儿体内约有80%）。因此，一个健美运动员被扔到海里会更容易沉下去，普通人则更容易浮起来。

人体的整体密度与水相似，所以你排开的水的重量与你的体重差不多，这使得你在水中几乎没有重量。你不会像泡沫塑料或软木一样高高晃动，也不会像石头一样沉下去。但在死海，它的盐度几乎是普通海水的10倍，人都会浮在水面，即使是拥有六块腹肌的健身教练也不例外。盐形成的介质密度比普通海水高得多，因此作用在身体上的浮力也大得多。

阿基米德原理适用于任何流体，因此浮力在海洋和空气中都起作用。让我们回到你在大气中切出的一平方英寸见方的柱子。在柱子底部有15磅的压力。然而随着你的上升，压在你身上的空气越来越少。因此，气压会下降。

1644年，埃万杰利斯塔·托里拆利提出了一个革命性的主张：“我们生活在空气海洋的底部，通过不容置疑的实验，我们知道空气是有重量的。”他重新做了一个连伟大的伽利略都感到困惑的实验。如果在一根30英尺长的管子里装满水，然后将管子倒置于装有更多水的盆子里，管子里的水只有一小部分会流到盆子里，管子顶端则会出现一段真空。伽利略认为，管子顶部的真空以某种方式牵引着水，使其无法完全排入盆中，但他未能证明自己的假设。

对此，托里拆利推论说，管子顶部的空隙确实是真空的，但它的真空状态与发生的情况无关。相反，他断言，周围和上方的空气正在向下挤压盆中裸露的水面。反过来，盆里的水又对管子中的水施加向上的压力，使其无法完全排空。托里拆利最终用水银代替水完善了同样的实验。水银的密度几乎是水的14倍，因此可以使用更小的管子和水盆来操作。

盆中水银池的大气压力越高，水银就会沿着管子往上爬得越高。大气压越低，从管子中溢出到盆中的水银就越多。用英寸来标记管子的高度，以量化所发生的情况，这就是世界上第一个水银气压计。（所以，下次当你听到气象人员用“毫米汞柱”来表示气压时，你就会知道他们在说什么了。这是托里拆利的功劳。）

试想一下，伽利略可能会对一个简单的吸管演示感到多么困惑。你把吸管浸入饮料并用手指盖住吸管顶端，当你抽出吸管时，大部分液体仍留在吸管内。这并不是因为你的手指和吸管内的液体之间存在某种神秘的真空，而是因为吸管外的所有气压都从下往上推。你的手指切断了来自上方的压力，这种压力原本是平衡对液体的作用的。

在托里拆利发现大气压力后不久，一位名叫布莱兹·帕斯卡的法国数学家被这种空气压在盆上的假设所吸引，他提出，如果空气压在盆上，那么空气较少的地方，如山顶，压下的空气会减少，从而使更多的水银从管子中溢出，进入盆中。他说服家人把一个巨大的水银气压计搬到附近最高的山峰多姆山的山顶，一路上测量。令他高兴的是，随着他的攀登，越来越多的水银流入盆中，这表明大气压力随着海拔的升高而下降。

由于发现空气具有可测量的重量，而且重量会随着高度的增加而减少，地球人很快就摸索出了新的办法让我们在天空翱翔，就像伊卡洛斯在临死前所做的那样。

升空的梦想：气球

第一艘载人升空的飞船的设计源自中国古代技术：孔明灯，一种装有小油灯或蜡烛的飘浮气球。孔明灯的历史可追溯到中国三国时期，最初用于战争，向己方军队发送信号，抑或迷惑对手。如今，它们被称为天灯，在世界各地的节庆活动中出现，比如印度教等庆祝的排灯节和泰国北部的传统节日天灯节。

最初的孔明灯是用纸或布做成的茧状物，将加热的空气堵在火焰上方。当一种物质受热时，其分子会加速振动（请记住，温度只是这种运动的一个度量）。充满活力、快速运动的空气分子需要更多的空间来摇摆和抖动，因此它们所占据的体积会随着彼此向外移动而扩大，使气球内空腔的密度低于周围空气的密度。灯笼内裹着的热空气在周围密度较高的空气海洋中带着蜡烛上升。灯笼继续上升，一直到周围越来越稀薄的空气达到与整个灯笼本身相同的密度，或者直到蜡烛燃尽。

如果让你回忆最早的航空先驱，你可能会想到莱特兄弟。但是在奥维尔和威尔伯于1903年在北卡罗来纳州基蒂霍克起飞的一个多世纪前，一对法国兄弟就已经用他们的“气动地球仪”（更为人熟知的名字是热气球）开启了人类航空史。这些飞行器所依赖的浮力物理学原理与中国古代的孔明灯相同，但它们使用了一个足够大的吊篮，可以把人悬挂在下面。

1783年，约瑟夫-米歇尔·蒙戈尔菲耶和雅克-艾蒂安·蒙戈尔菲耶兄弟在法国南部测试了第一个这样的气球。他们还招募了第一批知名的“飞行员”：一只羊、一只鸭和一只公鸡。这个奇特的组合飞行了八分钟，航程两英里，之后安全返回地球，开创了人类飞行的时代。

将近一个世纪后，气象学家、天文学家詹姆斯·格莱舍与气球驾驶专家亨利·考克斯韦尔合作，进行了一次几乎致命的飞行实验。格莱舍决心弄清气球能把人带到多高的高度，以及在飞行途中能学到什么有关大气和气压的知识。在1871年出版的《空中旅行》（Travels in the Air）一书中，格莱舍问道：“空气海洋的波涛，在其无名的海岸内，难道不包含着无数注定要在化学家、气象学家和物理学家手中得到发展的发现吗？”

到了维多利亚时代，实验者们认识到，用气泵打满一种本身比空气轻的气体，气球可以比普通热空气升得更高、更快，而且不用加热。当时，大多数气球制造者使用的是普通煤气这种为厨房炉灶提供动力的东西，因为它含有氢气、甲烷和一氧化碳的低密度混合物。格莱舍和考克斯韦尔利用他们的煤气气球升到了35 000多英尺的高空，然后因在低压空气中缺氧而失去知觉，他们的皮肤也因冻伤而变黑。他们还患上了减压病（decompression sickness），又称“屈肢症”——与潜水员上浮过快时的症状类似。他们这样做是为了科学。虽然他们在实验中濒临死亡，但他们的情况比伊卡洛斯的要好很多，后者实际上死于实验。

根据考克斯韦尔和格莱舍的气压计以及气球上其他仪器所显示的，他们要么到达了平流层，要么非常接近平流层。他们如果能够继续上升，就会在地球大气层的下一层发现有趣的数据。不过，每个浮力气球都有一个高度极限，超过这个高度就不再上升。只要气球及其有效载荷的密度小于周围大气海洋的密度，气球就会上升。不过，当到达密度相等的高度时，气球就会像海面上的浮标一样摇摆不定。

如今，气象学家经常发射气象气球，气球上没有蜡烛、农场动物或人类，而是装有专门用于监测气压、温度和相对湿度的仪器。有了这些气球，我们就能根据每小时的天气预报知道棒球比赛是否会被取消，美国国家航空航天局是否会继续发射火箭，以及出门之前是否应该戴上遮阳帽或耳罩。

费利克斯·鲍姆加特纳和太空的边缘

2012年10月14日，在格莱舍和考克斯韦尔的惊险实验结束一个多世纪之后，一个名叫费利克斯·鲍姆加特纳（Felix Baumgartner）的奥地利跳伞敢死队队员打破了多项世界纪录，被全美头条新闻誉为“从太空边缘一跃而下”。他乘坐氦气球升入平流层，然后自由落体返回地球表面，创造了人类驾驶气球升空的最高纪录和跳伞的最高纪录（从大约24英里的高空跳下）；他还成了第一个在没有发动机帮助的情况下突破声障的人。但他并不是从太空跳下来的。

鲍姆加特纳以每小时844英里的速度坠落地球，这一壮举之所以成为可能，是因为平流层和对流层上部的空气分子稀少，而空气分子会使他的速度减慢。相比之下，低层大气的空气密度较高，限制了人体的最终速度，也就是空中跳伞的最快速度（大约为每小时120英里）。鲍姆加特纳的高度确实很高，以至于他在表演特技时不得不穿上加压服。但他不是宇航员，也就是说，他没有接近我们所说的“太空”。如果要获得宇航员这个称号，他必须从两倍以上的高处跳下。因此，由咖啡因含量极高的饮料“红牛”赞助的“太空边缘一跃”，极度名不副实。尽管鲍姆加特纳完成了令全世界为之倾倒的惊人壮举，但如果把地球缩小到教室里的地球仪，鲍姆加特纳跳下的高度也不过是一毫米而已。

大多数关心这些事情的人认为，“太空”始于海平面以上100千米处。这一高度被称为卡门线，是以美籍匈牙利空气动力学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán）的名字命名的。在自传（1967年出版的遗作）中，他将其描述为“一个物理边界，空气动力学在此停止，而宇航学在此开始”。简单解释一下就是，在没有空气的地方，飞机不再工作，因为它依靠空气掠过机翼来获得升力。在卡门线以上，你需要火箭。

卡门又进一步补充道：“在这条线以下，太空属于每个国家。超过这条线，就是自由空间。”但事实证明，地球的大气层并没有划分成四舍五入的公制单位。因此，100千米的“边界”虽然是圆的，但实际上非常模糊；卡门本人曾建议降低高度。随着人们对地球大气剖面有了新的认识，这个问题已经争论了几十年。

亿万富翁的“太空竞赛”

2021年7月，在人类首次登上月球半个世纪后，几位亿万富翁吸引了全世界的目光，这一事件被描绘成一场新的太空竞赛。这一次，这场竞赛不是为了发现人类从未见过的东西而进行的战争竞赛，而是世界上0.0001%的人为了个人利益而将航天事业商业化的竞争。维珍集团和维珍银河航天器公司的创始人理查德·布兰森成为第一个飞往太空（某种定义下）的亿万富翁。他和他的机组人员乘坐“团结号”宇宙飞船到达54英里的高空，在那里享受了几分钟的失重状态，然后滑翔返回地球。之后，在地球上，加拿大著名宇航员克里斯·哈德菲尔德将人人梦寐以求的宇航员之翼别在布兰森的胸前，这表明他是一个极为特别的俱乐部的成员。但布兰森真的是宇航员吗？

九天后，亚马逊网站和航天器公司“蓝色起源”的创始人杰夫·贝索斯发射了自己的亚轨道飞行器“新谢泼德号”（以第一个进入太空的美国人艾伦·谢泼德的姓氏命名）。它刚好到达100千米的卡门线上方——贝索斯也获得了宇航员之翼。

这些人真的是太空旅行者吗？太空有真正清晰的边界吗？太空到底从哪里开始？

根据非政府国际航空运动管理机构国际航空联合会（FAI）的说法，外层空间始于100千米的卡门线。然而，美国联邦航空管理局、美国军方和美国国家航空航天局目前将太空的边缘定得更低，称任何飞行高度超过50英里的人均为宇航员。

看来，无论是公制单位还是英制单位，人们都有强烈的冲动为卡门线使用整数。卡门本人宣称，太空边缘的高度为275 000英尺，约为52英里。也许美国对太空的定义应该以卡门的数据为准。

无论这些定义背后的意图是什么，事实是它们都没有实际的科学意义。边界不管是什么，都仍然是模糊的；“太空”和“非太空”之间没有绝对的区别。事实上，科学家们最近在月球轨道之外探测到了地球大气层的缕缕痕迹。因此，如果我们想用“没有大气层”来定义“太空”，那么我们的月球仍然在地球的大气层内，也还没有人在太空中探索的高度足以使其称为宇航员。

最终，贝索斯和布兰森都被剥夺了宇航员之翼，不是因为高度问题，而是因为美国联邦航空管理局在他们飞行后立即对“宇航员”做出了更严格的定义，这对各地的太空亿万富翁们造成了重大打击。现在，宇航员除了要达到50英里以上的高度外，还必须“在飞行过程中展示了对公共安全至关重要的活动，或对人类太空飞行安全做出了贡献”。

从飞机到火箭

如果我们希望像卡门本人建议的那样，将太空的边界定义为普通飞机无法再保持高空飞行的区域，那么我们首先应该了解飞机是如何完成高空飞行这一壮举的。

飞机能够飞行，不是因为克服了空气密度，而是因为借助了空气密度。飞机在穿过大气层时，会撞上无数的分子。飞机机翼上部弯曲，下部较平，这使得空气分子在机翼上部的流动速度快于在机翼下部的流动速度，进而使机翼上部的压力低于机翼下部。这遵循了以瑞士数学家丹尼尔·伯努利的姓氏命名的伯努利定理，该定理认为流体运动得越快，施加的压力就越小。

流体倾向于从高压区域向低压区域移动，空气的行为也与流体类似。当机翼上方存在较低气压环境时，机翼下方的空气颗粒会向上冲，从而产生升力。与此同时，重力会将飞机向下拉，空气分子的摩擦力会造成阻力。不过不用担心。在等式的另一端，巨大的发动机（螺旋桨或喷气式飞机）在推动飞机前进时产生推力，在机翼上形成并维持压力差，从而维持升力。商用飞机通常在3万英尺以上的高空飞行，这里的大气颗粒阻力最小，但空气密度足以让飞机保持每小时500英里以上的飞行速度，而无须消耗大量燃料。

顺便提一下，飞机和火箭的一个重要区别是，飞机引擎是借助从大气中吸取的氧气来燃烧燃料的。在地球大气层外飞行的火箭必须使用自给式氧化剂，火箭发动机可以自行燃烧燃料，完全不需要大气中氧气的帮助。

火箭科学和最大Q值

对于火箭科学家来说，地球大气层只是宇航员通往外太空的一个障碍。穿过对流层往上，空气会越来越稀薄，飞机的升力也会越来越小。但是如果飞机有一个非常强大的发动机，它就能产生足够的推力，不需要伯努利的帮助，自己就能抵消重力。这正是火箭能做到的。

在火箭发射过程中，升空约一分钟后，飞行控制中心会宣布来到“最大Q值”时刻，即最大动压时刻。这是发射过程中最危险的时刻。大气阻力会对火箭造成压力，并随着火箭速度的增加而增加。当火箭冲过稠密的大气层时，大气层也会反击（我们现在都知道，反击背后是有重量的）。如果火箭在这一区域移动速度过快，火箭就会被击成碎片。然而，随着火箭飞行高度的增加，可产生阻力的空气越来越少。

火箭发射后，会立即在厚厚的海平面大气层中缓慢移动。这里的压力并不大，因为火箭的速度还没有快到令人担忧的程度。几分钟后，火箭位于稀薄的空气中，这里也没有太大的压力。在这两个区域之间有一个点，在那里火箭的速度和它所穿过的空气产生了最大压力。这个点就是最大Q值。

发射地点：韵律和理由

在寻求进入轨道时，发射火箭的最终目标并不是一路向上和离开地球（尽管在地面上的普通观察者看来确实如此）。你可能认为美国国家航空航天局在20世纪60年代末只是将“土星5号”火箭对准月球，然后直线发射。事实上，“阿波罗号”宇航员从佛罗里达州卡纳维拉尔角向东发射，绕地球一周半后才向月球进发。以这种方式出发的原因有很多，其中之一就是利用地球的自转，在赤道上可以免费享受每小时1 000英里的起跑速度。

从零加速到每小时17 000英里（航天器进入地球轨道的速度）的最有效方法是利用地球的自转速度。在赤道（北纬 0 ° ，南纬 0 ° ）上，正东方向的时速大约为1 000英里。在地球每天24小时的自转过程中，赤道（地球周长最大的地方）要比其他周长较小的纬度飞行更多英里数。在卡纳维拉尔角（北纬28 ° ），速度降至每小时约915英里。纽约市（北纬 41 ° ）：时速780英里。伦敦（北纬 51 ° ）：时速650英里。奥斯陆（北纬 60 ° ）：时速520英里。与此同时，在北极（北纬 90 ° ），圣诞老人只是在原地旋转。

你也是那种喜欢游乐场旋转木马带来的刺激和恐惧的淘气孩子吗？如果是的话，你可能会说服你的朋友们尽可能快地转动圆盘，而你则紧紧抓住不放。你会注意到，平台转得越快，你就越觉得自己在向外飞。为了弥补这种感觉，也许你会蹲在旋转木马的中心附近，用尽全力抓紧横杆。无论你是在公园旋转木马的边缘，还是在太阳系行星的表面，这种从旋转物体中向外飞的感觉都被称为离心力，尽管它根本不是一种真正的力。它只是你想沿着切线飞出去的倾向，但对你来说就像是一种力。

在地球赤道上，地表移动最快，离心力最强。那么，为什么厄瓜多尔人、新加坡人、加拉帕戈斯象龟和其他赤道地区的居民不需要用尼龙搭扣紧贴地面，以免飞出去呢？答案只有一个：地心引力。然而，这并不意味着离心力不存在。它体现在人们体重的减轻上。在赤道上，每个人的体重都比在世界其他地方要轻一点。如果圣诞老人在北极时的体重是400磅，那么他在厄瓜多尔送礼物时的体重就只有399磅。这点差别不足以引起注意，几乎不值得一提。

如果地球突然停止自转，那么世界上所有与地球表面没有其他连接的人都会摔倒，并以指定的速度向正东方向滚去。纽约以南和新西兰北部的任何人都会用他们的身体打破陆地速度纪录。与此同时，圣诞老人的工作坊不受影响。

让我们来做一个思想实验（顺便说一句，这是爱因斯坦最喜欢的练习）。如果地球开始越转越快，离心力就会不断增加，就像在你的旋转木马上一样。在一定的速度下，离心力会变得非常大，以至于完全抵消重力。这些力相互抵消，使你失重，悬浮在地面之上。这个速度大约是每小时17 500英里。如果地球以这样的速度旋转，一天将持续一个半小时，而不是24小时。我们以前见过这样的速度。这与达到低地球轨道（LEO）

的速度差不多，这绝非巧合。

在伽利略证明这一点之前，人们似乎认为，如果地球确实在太空中飞行，并在飞行过程中旋转，我们就会感觉到它的存在。毕竟，如果人们连乘坐最平稳的马车都能感觉到每一次颠簸、摆动和抖动，那为什么地球带来的感觉会不同呢？我们的祖先认为，太阳、月亮和行星都在围绕着我们旋转，因此我们必须静止在繁忙的宇宙中心。他们不明白的是，飞船越大，运动就越平稳。随着飞行越来越平稳，运动也越来越难以察觉。

如前所述，当火箭离开地球时，它会获得与发射台纬度处地球自转速度相等的自由推力。在赤道上，这相当于每小时多节省了1 000英里的燃料。那么，我们为什么不从赤道上的山顶，比如厄瓜多尔的卡扬贝火山发射火箭呢？在那里，火箭的前19 000英尺是免费的，再加上行星自转的推力。听起来是个好主意。但事实证明，把物资运上山的能源成本远远抵消了这些好处。此外，沿海洋东岸发射，比如从佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射，还能利用顺风方便处理发射失败和废弃的一级助推器。

地缘政治因素也会影响发射场的位置。欧洲航天局在南美洲北岸法属圭亚那的库鲁发射场发射了大部分火箭。它位于北纬5 ° ，东面是一望无际的海洋，可以说是一个近乎完美的航天港。

牛顿、苹果和炮弹

艾萨克·牛顿如何发现万有引力的经典故事是科学史上流传最广、美化程度最高的故事之一。也许你已经耳熟能详。

据传说，1666年，在儿时的家伍尔斯索普庄园，牛顿躺在母亲的花园里一棵大苹果树的树荫下时，在一个“灵光乍现”的瞬间，他想到了万有引力的概念。鼠疫肆虐英国时，他当时就读的剑桥大学三一学院将学生们送回了家。牛顿在伍尔斯索普庄园时，注意到一个苹果掉到了地上。不，苹果并没有像传说中的那样砸到他的头。但他确实在思考这个掉落的苹果，想知道为什么每个苹果总是直接向下掉落。与此同时，他观察着头顶上围绕地球运行的月亮，想知道这两者之间是否有联系。重力的影响在哪里停止？一般的思考者可能会觉得将这些物体统一起来的尝试令人困惑。坠落的苹果会与地球相撞，而月球却从未撞上过，那么它们怎么会受到同样力量的影响呢？要观察到如此不同的现象，又能在深层次上将它们联系起来，这需要艾萨克·牛顿独一无二的天赋。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy）一书中描述了他随后进行的一次思想实验。牛顿早在人们认真对待离开地球的想法之前，就探索并计算了地球轨道的概念。他知道，抛出的石块总是会自由落向地球，但随着抛出力度的增加，落点会越来越远。当然，任何曾经投掷过石头的人都会意识到这一点，但牛顿更进一步。

他想象以不同速度水平发射的炮弹，思考随着每次发射炮弹的初始速度增加会发生什么。他意识到，石球会越飞越远，直到某个时刻，它需要沿着地球的曲线前进。不仅如此：如果炮弹的推进速度足够快，它就会完全绕过地球，击中他的后脑勺。如果他躲开了，炮弹就会继续自由落体运动，永远不会击中地球。在这个神奇的速度下，小球下落到地球的速度与地球的圆弧形远离它的速度完全一致。我们通常称这种运动状态为轨道。

如果牛顿的炮弹发射得更快，那么它就会以某种速度完全脱离地球引力，在后来所谓的双曲线轨道（当然牛顿时代还没有这个概念）上达到逃逸速度。在这种情况下，月球和苹果的经历完全相同；月球只是碰巧具有苹果所没有的侧向速度。

国际空间站每隔90分钟就会从我们头顶上空划过，它实际上只是以牛顿几百年前预测的速度围绕地球自由落体，当时还没有技术来测试它。国际空间站并没有撞向地球，而是一次又一次地错过地面。因此，它停留在距地球表面约250英里的地方，保持着略高于每小时17 000英里的轨道速度，也就是差不多每秒5英里。

想想5英里在地面上意味着什么，这相当于美国橄榄球联盟一个橄榄球球场长度的 73倍。你可以在一个半小时内迅速地走完，一辆限速行驶的汽车5分钟能跑完，高速商用喷气式客机半分钟能走完，国际空间站一秒钟就能走完。这就是低地球轨道上的物体在天空中飞驰的速度，以及它们必须以多快的速度移动才能在每次经过时都能够掠过地球。

因此，宇航员在轨道上是失重的。这并不是因为太空具有消除重力的神奇特性，而是因为他们在牛顿于近三个半世纪前首次描述的轨道上一直处于自由落体状态。

和平与战争中的火箭专家

第一个正式提出人类登月方法的是美国工程师罗伯特·戈达德。1926年，他发射了史上第一枚液体燃料火箭。那是一个大约10英尺高的摇摇欲坠的装置，只飞行了两秒半就“砰”的一声掉回了184英尺外的地面。就像二十多年前莱特兄弟首次成功的飞机飞行一样，戈达德的火箭也预示着一个创新和探索的新时代，同时也预示着一种新型战争的到来。事实上，在美国参加第一次世界大战时，戈达德本人就已经充分意识到火箭在军事上的可能性。

时间快进到第二次世界大战。1944年9月8日，一枚46英尺长的火箭装载着2 000磅炸药，飞越地球大气层，落回地球，击中巴黎郊区的一条普通街道，炸死6人，炸伤更多人。这是世界上第一次远程弹道导弹攻击，由德国航空航天工程师沃纳·冯·布劳恩（Wernher von Braun）策划，他热衷于研究和模仿罗伯特·戈达德的设计。冯·布劳恩于1937年加入纳粹党，用他自己的话说，“相对来说还不错”，因为希特勒急于证明德国的技术实力，疯狂地向他的火箭设计投入资金。

冯·布劳恩专注于将火箭发射到太空的目标，他实际上接受了，或者说他根本没有考虑到他的科学胜利所带来的后果：人类首次成功地将人造物体发射到太空。据说，在第一枚V-2火箭投放到巴黎街头以及同一天又有两枚火箭投放到伦敦附近之后，冯·布劳恩说：“火箭工作得非常完美，除了降落在错误的星球上这一点。”

V-2火箭发射后，完全依靠重力到达目标。这是弹道学的胜利。V-2火箭最可怕的地方并不是它的弹头里有多少炸药，而是它前所未有的超声速。以如此高速度飞行的物体所产生的破坏性冲击力使机载炸弹成为一种无端的恐吓手段。请记住，导致所有大型恐龙灭绝的小行星并没有携带一枚炸弹。

站在路上的人可能会看到一枚V-2型导弹正朝他们飞来，但他们绝对听不到导弹的声音。即使他们能以某种方式辨认出正悄无声息地向他们飞来的飞行物，也为时已晚。冯·布劳恩的超声速亚轨道导弹既夺走了成千上万无辜者的生命，同时也为人类的太空旅行奠定了基础。就像许多科学与战争联姻的故事一样，技术进步的资金往往来自其毁灭的承诺。

尽管V-2火箭本身是一种致命武器，但据历史学家估计，制造V-2火箭时死亡的人数远远多于火箭发射时死亡的人数。二战导致劳动力短缺，希特勒无法按预期速度生产新武器，于是冯·布劳恩求助于囚犯，让他们充当奴隶劳工。欧洲各地集中营的囚犯被带到工厂，被迫在拥挤不堪的地下隧道中组装武器，在那里，几乎没有人能够忍受干渴、饥饿、疾病、寒冷、疲惫和纳粹的暴行。那些被认为不适合工作的人会被送往死亡集中营。

至少有一万人，甚至是两万人，在可以想象的最恶劣条件下，死于V-2导弹及其前身的制造。

二战结束向美军投降后，冯·布劳恩将事业重心转移到美国。朝鲜战争开始后，他和他的团队被调往亚拉巴马州的亨茨维尔，他在那里的美军红石兵工厂研制导弹，并很快成为那里新成立的美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心的主任。他的最高成就是设计了将人类送上月球的“土星5号”火箭。

进入轨道

V-2火箭是第一个到达卡门线的人造物体，但它从未达到足够的速度进入轨道，因此V-2火箭仍然是亚轨道的胜利。

第一个绕地球轨道运行的人造物体是1957年10月4日由苏联发射的一颗小卫星。这是一个24英寸的金属球，被亲切地命名为“斯普特尼克1号”（Sputnik 1，Sputnik在俄语中意为“同行者”）。尽管名字很亲切，但这次发射还是在全世界播下了焦虑和恐惧的种子。最重要的是，它催生了太空竞赛，进一步巩固了美国和苏联在冷战中的地位。“斯普特尼克1号”的成功发射清楚地表明了哪个大国在技术和武器方面处于领先地位。

为了将人造卫星送入大气层，并将这颗闪闪发光的小球送入轨道，苏联工程师将其绑在了一枚R-7火箭上，这是世界上第一枚洲际弹道导弹，比V-2型导弹大20倍。大家都知道，核武器可以轻而易举地取代这颗沙滩球大小的卫星。“斯普特尼克1号”发射后仅三年半，R-7型飞机的一个小改型就将宇航员尤里·加加林送入轨道，这同样是令人惊叹的创举：他是进入太空的第一人，但只是继狗、小鼠和豚鼠之后的第四个物种。半年后，黑猩猩也将加入这一行列。

“斯普特尼克1号”上搭载了一个简单的无线电发射器，其工作功率仅为1瓦，还不如智能手机在低功耗模式下的耗电量。1957年，它的功率仅够发出哔哔的无线电信号，不断提醒业余无线电操作员它的和平存在。在暮色深沉、晴空万里的时候，任何在它轨道上的人，只要有一双锐利的眼睛或一副双筒望远镜，就能在星罗棋布的恒星中观察到这个陌生的反光球体。这也预示着，现在有成千上万的天体正在扰乱我们曾经一尘不染的宇宙视野。

太空垃圾和凯斯勒效应

自1957年发射了第一颗人造卫星以来，人类开创了多种方法，将尽可能多的卫星送入地球轨道。随着硬件的微型化，卫星变得越来越小、越来越便宜，对科学和社会也越来越不可或缺。地球轨道上的卫星数量正呈指数级增长，从2000年部署的约50颗，到 2010年约100颗，2020年超过1 000颗，2022年超过2 000颗。其中绝大多数属于埃隆·马斯克（Elon Musk）的SpaceX及其星链业务。发射往往会同时将多颗卫星送入轨道。短短几十年间，我们曾经原始的空中海洋已经变成了危险的高速公路。

卫星的使用寿命一般为10～15年，但各国政府以及SpaceX等私营公司将卫星送入轨道后，却没有计划在卫星无法运行时使其脱离轨道。失效的卫星仍被困在轨道上，就像车辆在高速公路上行驶，司机却在方向盘前睡着了。在较低的轨道上，它们最终会在大气摩擦力和重力的作用下陨落。然而，在更高的轨道上，它们遇到的大气粒子要少得多，因此它们可以一直环绕地球运行数个世纪。

除了所有被遗弃的、曾经功能正常的卫星外，地球轨道上还散落着数以万计的危险弹片。美国国防部的太空监视网络追踪了3万个大于两英寸的轨道物体。此外，天空中还散落着超过1亿片未被追踪的毫米级垃圾。在比AR-15步枪发射的子弹快近10倍的轨道速度下，即使像油漆斑点这样微小的东西也能对卫星、空间站或太空行走的宇航员造成严重损伤。

当两个物体相撞时，残骸中破碎的部件数量会远远超过原来的两个。如果足够多的卫星和碎片留在轨道上而不加以控制，灾难性的混乱就会随之而来。美国国家航空航天局天体物理学家唐纳德·J.凯斯勒（Donald J. Kessler）在1978年就警告过这种结果。如果一次碰撞的碎片摧毁了附近的一颗卫星，然后这颗已经粉身碎骨的卫星的部分碎片又撞向附近的其他卫星，那么卫星的数量就会达到一个临界值，超过这个临界值，一连串自我维持的碰撞就会摧毁轨道上的每一颗卫星。最终，无数的碎片云将使任何事物或任何人都无法安全通过，我们会发现自己被困在自己制造的垃圾场监狱中。

2013年由桑德拉·布洛克和乔治·克鲁尼主演的科幻悬疑电影《地心引力》（Gravity）准确描述了这种所谓的凯斯勒效应所带来的灾难性后果。然而，不准确的是桑德拉·布洛克的刘海，她的刘海完全贴在眉毛上方，而不是在零重力的轨道上自由飘动。

轨道及其衰减

苏联发射“斯普特尼克1号”三个月后，这个银色的小球向我们的大气层降落，在一团火光中向地球俯冲回来。由于“斯普特尼克1号”的密度很低，它还来不及伤害下面的地球人，就像流星一样完全解体。但是，它的火热结局没有白费。科学家们获得了关于地球大气层外缘延伸多远的有价值的现实世界的信息。他们现在知道，即使在距离地球数百英里的上空，也有足够多的空气分子四处游动，从而产生阻力。随着时间的推移，当一颗盘旋的卫星与这些微粒碰撞时，它就会失去能量和高度，直到无法再维持原来的轨道。如果没有空气阻力这回事，卫星就会永远在轨道上运行，除非有其他障碍物将它撞离轨道。

每个环绕地球运行的物体，尤其是低地球轨道上的那些，包括国际空间站和哈勃空间望远镜，都必须遵守牛顿第一定律——它告诉我们，任何外力都会改变物体的运动——并且必须补偿任何杂散分子的摩擦效应，以免面临与“斯普特尼克1号”相同的命运。国际空间站每个月都会下降近两英里。为了解决这个问题，它会定期利用推进器喷射，将自己重新提升到更高的高度。当这种情况发生时，太空舱里的宇航员就会感受到一点人造重力，因为他们会随着加速度的增加而被抛向后方。为了保持这种与大气阻力的对抗，空间站需要不断地执行加油任务。

火箭方程

如果你想完全摆脱地球引力的牵引，前往月球、火星或更远的地方，你需要一艘大得多的飞船以及更多的燃料。你需要的是像“土星5号”这样的火箭，它于1967年完工，1973年退役，将美国第一批宇航员送上了月球。

“土星5号”火箭由沃纳·冯·布劳恩设计，高达35层楼，比自由女神像还高，发射前重达620万磅。自罗伯特·戈达德将他大约10英尺的后院火箭送入41英尺的高空以来，短短40年间，科学和工程学在战争的刺激与资助下，以惊人的速度向前发展。天体物理学不再只是仰望天空；现在，它还包括我们可以升空。

火箭顶部是指挥舱，里面有三名宇航员和月球着陆器。只有指令舱从月球返回地球。“土星5号”95%的质量都是用来对抗地球引力的燃料。

牛顿第三定律告诉我们，每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。因此，如果想把一个重达620万磅的庞然大物推离地球表面，我们就要施加一个强大的作用力，而这个作用力的方向正好相反。这个动作产生的推力接近760万磅。“土星5号”的推力与重量之间的差值是向上的升力。

要计算出一次飞行任务所需的燃料量，火箭科学家必须首先计算出有效载荷的重量，以及多少燃料能将有效载荷送入太空。问题就在这里：将有效载荷送入太空所需的燃料重量是加在总有效载荷上的，因此我们的火箭专家现在必须计算出将这些增加的燃料送入太空还需要多少燃料。新增加的燃料重量意味着我们现在必须再次增加燃料才能进入太空。如此循环往复。看吧，无休止的火箭问题，需要一个方程来帮助我们。

微积分这一数学分支是由艾萨克·牛顿和戈特弗里德·莱布尼茨在17世纪同时独立发展起来的，尽管其组成部分早在三个世纪前就在印度南部被发现了。微积分是为这类问题而精心设计的，它为我们提供了获得所需方程的方法。虽然许多人独立推导出了这一数学公式，但将其应用于我们当前的问题与苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）的关系更为密切。

齐奥尔科夫斯基的火箭方程告诉我们，每增加一磅有效载荷，提升一定质量，有效载荷所需的燃料就会呈指数增长。为了对这一挑战有一点来自地面的了解，想象一下，你想用一箱汽油把汽车开过几千英里的大陆。你做不到。你的油箱不够大。所以你需要一个大得多的油箱，大到汽车重量的主要部分变成了汽油的重量，这大大减少了你的油耗里程，你又需要一个更大的油箱来弥补。

如今，一家航空航天公司将一磅重的东西送入轨道可能要收取10 000美元的费用，尽管由于SpaceX在重新利用太空组件方面所做的商业努力，确实存在着明显便宜的替代品。天文方面的开支，尤其是在太空计划的早期，是宇航员身材修长、电子设备小型化的原因。事实上，现在我们口袋里的智能手机和其他创新电子产品，都是早期太空竞赛期间开创的小型化技术的后代。

陨石的启示

我们现在对到达地球轨道和月球旅行所需的条件有了一些了解。但是，回家呢？毕竟，宇航员持有的是往返票，而不是单程票。

要安全地将轨道上的火箭飞船从17 000英里的时速降到零，需要一个制动系统。一个简单的解决方案可能是向相反的方向发射火箭（按照牛顿第三定律），直到火箭减速到可控的缓慢状态。但这需要大量的燃料——恰恰是将飞船从地球发射出去所需的燃料。而且，由于轨道或月球上还没有加油站，你必须从旅程一开始就携带所有这些燃料。在这里，火箭方程可不是你的朋友。

下一个最佳选择是什么？从流星和陨石中寻找线索。当这些动能太空导弹进入地球大气层时，它们就会燃烧起来，从地球上看就像是天空发生了耀眼的爆炸。不过，流星真正展示的是一种渐进的能量交换。当流星遇到地球大气层的摩擦时，它的动能会转化为热能，有时还会在地球表面落下一些岩石碎片，成为我们所说的陨石。（我们揉搓冰冷的双手时也会发生同样的转换，产生摩擦，从而产生热量。）

这些大块岩石穿过真空的太空，以每小时3万英里的速度与地球大气层相撞。它们穿过地球的外逸层和热层时没有受到什么阻碍，因为这些层中没有多少空气，但是一旦太空岩石撕裂中间层，我们就会看到一场光影秀。除了碰撞时产生的强烈摩擦外，陨落流星前方的气体分子也会迅速压缩。由于压缩气体的温度高达3 000华氏度，炙热的空气会在流星变成陨石之前将其蒸发。

值得庆幸的是，大多数陨石没有豌豆那么大。然而，陨石的老大哥小行星却可以（而且确实）穿过大气层，在地球上凿出陨石坑。6 500万年前的一次著名事件是，当时统治地球的爬行动物留下了最后的篇章。

重返地球大气层的太空舱就像一颗巨大的流星。火箭科学家们在火箭方程的支配下，被迫发挥聪明才智，他们认为这不是一个问题，而是一个机遇。空气免费提供刹车片。太空舱的隔热罩的工作原理与地球上的任何摩擦制动器都非常相似。就像旱冰鞋的橡胶脚趾挡块通过与路面的摩擦将速度转化为热量一样，阿波罗时代的太空舱外层包裹着一种特殊的烧蚀树脂来吸收热量，这种树脂会在太空舱穿越大气层时燃烧并剥落。飞船撞击的粒子越多，以动能（速度）交换的热量就越多，飞船的速度就越慢。只要隔热罩能继续吸收热量，飞船就会减速而不会受到任何热损伤。

也许用“气动制动器”来形容隔热罩更合适。（毕竟，我们不会把旱冰鞋的脚趾挡块称为“路面隔热罩”。）现在已经退役的美国国家航空航天局航天飞机可以在半小时内从17 000英里的时速降到零，它的新一代隔热罩由一种叫作气凝胶的物质制成，这种物质可以迅速吸收和释放热量，是其他任何材料都无法比拟的。如果用喷灯照射气凝胶样品，在放下喷灯和拿起样品的时间里，它就已经冷却到室温了。

这些气动制动隔热罩与飞机的气动滑行完美地结合在一起，使飞船无须从海洋中捞起。在从25马赫（声速的25倍）下降到1马赫（声速）后，航天飞机短而粗的机翼可以像普通飞机那样产生升力和阻力，从而以优雅的姿态滑行到平稳停止。

前往深空

自上一次月球漫步5年后，人类踏上了最伟大的宇宙之旅，但还没有人登上飞船。取代人类的是两架名为“旅行者1号”和“旅行者2号”的不起眼的太空探测器，它们证明了在距离太阳第三块岩石上居住着智慧的物种。

自1977年发射以来，“旅行者号”就带着著名的金色唱片在行星际与星际空间翱翔。这些音像光盘装满了来自全球各地的声音、歌曲、问候和艺术品，向任何可能发现它们的其他智慧生命宣告我们的存在。“旅行者号”的整个任务本身，以及它所承载的技术和文化，体现了人类向上、向外、向宇宙进发的幻想。

从帕斯卡登上多姆山，到格莱舍和考克斯韦尔的氦气球与平流层（以及死亡）擦肩而过，再到加加林环绕地球飞行，人类终于打开了天空的大门，打开了通往宇宙的通道，继续我们通往无限和更远地方的旅程。

代达罗斯会感到骄傲的。