书城童书探索神秘的宇宙
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第22章 了望茫茫宇宙(1)

中国古代的宇宙结构学说

我国古代最早提出的一种宇宙结构学说是“盖天说”。这种学说认为天是圆形的,好像一把大伞盖在地上;地是方形的,好像一个棋盘。因此,这种学说又叫“天圆地方说”。

这种学说是在古人肤浅的观察中生成的,漏洞百出,很难自圆其说。于是,人们又不断地对“盖天说”进行修改。到了战国末期,出现了“新盖天说”。

新盖天说认为,天像扣着的斗笠,地像扣着的盘子,天和地不相交,天地之间相距八万里。盘子的最高点是北极。太阳围绕着北极旋转,太阳落下山,并不是落到地面以下,而是到了我们看不见的地方。盖天说在我国古代影响极大,对古代数学和天文学的发展有重要的指导作用。

盖天说之后,东汉的天文学家张衡提出了“浑天说”。浑天说认为,天与地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系,地是蛋黄,它被像蛋白一样的天包裹着。具体说,天的形状不是标准的圆球,而是一个南北短、东西长的半椭圆球。

大地也是一个球,它浮在水上,回旋飘荡着。

盖天说无法解释日月星辰东升西落的现象,浑天说却能。此说认为日月星辰附着在天球上,白天,太阳升到我们可见的天空中,日月星辰落到地球的背面去;夜晚,太阳落到地球的背面去,星星和月亮升起来。星、月和太阳交替升起,周而复始,便出现了有规律的黑夜和白昼。

浑天说出现后,并没有立即取代盖天说,两种说法相互争执。但是,浑天说明显更具优势,它除了能解释许多盖天说无法解释的现象外,还有当时最先进的天文仪器——浑仪和天仪来帮助论证。因此,它在我国古代天文领域中称霸上千年。

古代的计时器——日晷

在钟表没有发明之前,人类曾使用过一种古老的太阳钟——日晷来计时间。

日晷是根据太阳东升西落的运动,利用太阳投射的影子来测定时刻的装置。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”,它垂直地穿过石制圆盘的中心。圆盘叫做“晷面”,安放在石台上,呈南高北低状,使晷面平行于天球赤道面。这样,晷针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。

晷面的正反两面刻有12个大格,每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时,晷针的影子就会投向晷面,太阳由东向西移动,投向晷面的晷针影子便慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是不均匀的。于是,移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针,晷面则是钟表的表面,以此来显示时间。

古老的天文学

最早的天文学研究的方法是天体测量学。古埃及人根据天狼星在空中的位置来确定季节;古代中国人早在公元前7世纪就制造了制定节令的圭表,通过测定正午日影的长度拟定节令、回归年或阳历年。古人依靠对星的观测,绘制星图,划分星座,编制星表。

春秋战国时期,齐国的天文学家甘德著有《天文星占》八卷,魏国人石申著有《天文》八卷。后人将这两部著作合为一部,称为《甘石星经》。这是我国、也是世界上最早的一部天文学著作。我国现存最早的天文著作是汉代史学家司马迁所著的《史记·天官书》。司马迁在此书中记下了558颗星,创造了一个生动的星官体系,奠定了我国星官命名的基础。

郭守敬发明的天文仪器

郭守敬(1231~1316年),中国元朝的大天文学家、数学家、水利专家和仪器制造家。他对浑仪进行了改进,发明了简仪。

当年,郭守敬只保留了浑仪中最主要最必需的两个圆环系统,并且把其中的一组圆环系统分出来,改成另一个独立的仪器,再把剩余系统的圆环完全取消。然后,他把原来罩在外面作为固定支架用的那些圆环也全都撤除,只留下仪器上的一套主要圆环系统。最后,他用一对弯拱形的柱子和另外四根柱子,承托住留下的这个系统。这种结构,比原来的浑仪更实用,更简单,所以取名“简仪”。在欧洲,直到300多年后的1598年,丹麦的天文学家第谷才发明了与简仪相似的天文仪器。

中国古代的天文台

中国是世界上天文学发展比较早的国家之一,天文观测的历史十分悠久,夏代就建有天文台了。早期的天文台既是观测星象的地方,也是祭祀活动的场所。古代帝王在这里祭天,同时任命专职人员在这里观测天象,占卜吉凶,编撰历书。随着天文事业的发展,祭天和观天逐渐分离,出现了专门观测、研究天文的天文台。

目前我国保存下来的最古老的天文台是河南登封县的观星台,它建于13世纪末。据说,元代著名的天文学家郭守敬就曾在这里主持过测量工作。当今世界上保留下来的最古老的天文台是公元632年建于韩国庆州的天文台。

现代的观测仪器——射电望远镜

20世纪30年代,美国无线电工程师雷伯发明了第一架射电望远镜。射电望远镜不同于光学望远镜,它接收的不是天体的光线,而是天体发出的无线电波。它的样子与雷达接收装置非常相像。它最大的特点是不受天气条件的限制,不论刮风下雨,还是白天黑夜,都能观测,而且观测的距离更加遥远。

射电望远镜为什么会有这么大的本事呢?我们知道,宇宙中的天体都能发出不同波长的辐射,但我们的眼睛只能看见可见光范围内的辐射,对可见光之外的酌射线、X射线、紫外线、红外线和无线电波“视而不见”。射电望远镜能接收各种波长的辐射,因此,还能观测到光学望远镜看不到的天体呢!随着射电望远镜的发展,天文学又前进了一大步,先后发现了类星体、星际有机分子、微波背景辐射和中子星。

著名的哈勃太空望远镜

哈勃空间望远镜是目前世界上最大的太空望远镜,它于1990年4月24日由美国的“发现号”航天飞机发射进入太空。哈勃望远镜重9.1吨,有一台口径为2.4米的反射望远镜,镜身长13.1米,直径为4.26米。由于太空中没有空气、尘埃等的阻挡,所以它拍摄的照片非常真实、数量多,同时也很清晰、漂亮。“哈勃”自发射后,已经成为天文史上最重要的仪器,填补了地面观测的缺口,帮助天文学家解决了许多根本上的问题。

目前,哈勃空间望远镜已到“晚年”。它在太空运行的过程中,分别在1993年、1997年、1999年、2001年,实施了四次大修。尽管每次大修以后,“哈勃”都会焕然一新,但仍旧掩盖不住它的“沧桑”。

探索宇宙必须具备的速度

我国明朝的万户,曾试图借助火箭内推力和风筝上升的力量飞上蓝天,结果为此丧命。飞向太空除了要有安全的飞行装备,还必须具备一定的速度才行。

飞上太空有三种情况,每一种都要具备相应的速度才能到达。

第一宇宙速度:7.91千米/秒,达到这个速度,卫星(或飞船)就可环绕地球飞行而不掉下来,所以也叫“环绕速度”。

第二宇宙速度:11.2千米/秒,达到这个速度,卫星(或飞船)就可脱离地球,飞向其他行星,所以又叫“脱离速度”,但不能脱离太阳系。

第三宇宙速度:16.7千米/秒,达到这个速度,卫星(或飞船)就可离开太阳系,飞向其他恒星。

以上是要到达目的地的最低速度,由于空气阻力和其他因素的影响,实际上要到达目的地,还要比以上速度快一些才行。

探索宇宙的工具——火箭

1926年3月16日,美国的工程师戈达德创制出世界上第一枚液体燃料火箭(单级火箭),并发射成功。虽然这枚火箭只运行了2.5秒,飞了12米高,但它却是世界航天史上一个重要的里程碑。

现代火箭是一个长的圆柱体,它总共有三大系统:结构系统、动力系统、控制系统。结构系统是火箭的躯壳,保护内部各组织;动力系统是火箭的生命之源,由燃料部分和发动机部分组成;而控制系统就像是火箭的大脑,指挥它的飞行速度、方式并确定飞行目标。

火箭只是一次性的航天运载工具,“生命”一般只有10~20分钟。当火箭将所运载的器材送入预定轨道后,它就完成了使命,然后会坠入大气层中,结束辉煌而短暂的一生。

随着人类对太空探索的深入和空间飞行器功能的不断增多,要求火箭具有更大的运载能力,因而出现了多级火箭。简单地说,多级火箭就是把几个单级火箭首尾连接在一起形成的。多级火箭不仅可以连续增加射程,而且用完一级就可以把空壳抛掉,以减轻负荷,提高火箭的飞行速度。

根据动力能源不同,火箭可分为化学火箭、核火箭和电火箭。化学火箭又可分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。按照用途的不同,火箭还可以分为航天火箭、军用火箭和民用火箭。航天上,火箭可以搭载各种宇宙探测设备。军事上,火箭可用于攻击敌方的军事目标和侦查敌方的军事设施。生活中,我们可以使用小火箭在节日里燃放焰火。

用途多样的人造卫星

月球围绕地球转,是地球的卫星。还有一种天体也可以围绕地球运行,但它不是天然形成的,而是人造的,因此叫“人造卫星”。科学家用火箭把人造卫星发射到预定的轨道,使它环绕着地球或其他行星运转,以便进行探测或科学研究。围绕哪一颗行星运转的人造卫星,我们就叫它哪一颗行星的人造卫星,比如最常用于观测地球和通信方面的,叫人造地球卫星。它们运行时,处在地球引力与自身离心力相平衡的状态下,除非科学家人为地让它从天上掉下来,否则它们不会回到地面。

所有国家在发射卫星时,总是把发射方向指向东方。这是因为地球自转的方向是自西向东的,人造卫星由西向东发射时,可以利用地球自转的惯性,从而节省燃料和推力。不过,由于世界各地的发射地所在的位置不同,发射的方向总是偏北或偏南一些。

人造卫星按轨道分类,可以分为低轨道卫星、中高轨道卫星和地球静止轨道卫星。低轨道卫星距离地面的高度为200~2000千米;中高轨道卫星的高度为2000~20000千米;地球静止轨道卫星的高度为35786千米。

如果按用途分类,可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星包括各种空间物理探测卫星和天文卫星;技术试验卫星是指用于卫星技术和空间技术试验的卫星;应用卫星则包括各种通信卫星、气象卫星、资源卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星等。

侦察卫星的本领

侦察卫星是一种获取军事情报的卫星,它之所以能胜任间谍之职,是因为它站得高,看得远,具有侦察面积大、范围广、速度快、效果好、可随时监视某一地区等优点。现在,侦察卫星使用得非常广泛,数量占所有人造卫星的1/3左右。

照相侦察卫星上都装有各种先进的照相机。其中,“全景照相机”可以旋转整个镜头,其旋转角度达180毅,主要用来进行大面积搜索、监视、进行地面目标的“普查”。“画幅式照相机”主要用于“详查”地面目标,对可疑目标进行详细的辨认。美国“大鸟”照相侦察间谍卫星上的画幅式照相机,从160千米的高空拍摄下来的照片,竟能够分辨出地面上0.3米大小的物体,也就是说能够看清一个人背的包是什么样的。

预防灾难的卫星

世界各地时常发生各种自然灾害,一些专门的卫星在减灾防灾方面起到了重要的作用。现代的某些气象卫星,能够不间断地对地球大气进行观测,连续关注一些潜在的气象灾害,并做出准确的预报。还有一种能穿云透雨的雷达卫星,它能发出一定频率的电磁波,穿到地表以下一定的深度,将反射和散射的回波形成图像,供科学家们参考、研究。

现在,还有一种用于预报地震的卫星。这种卫星上装有遥感仪器,能准确测出地面、水面及各种界面上的温度。因为,地震前,震区周围会出现温度异常的前兆,如果地震卫星捕捉到这种异常的变化,就会迅速提供温度图像,以供相关专家参考。

茫茫宇宙中的宇宙飞船

宇宙飞船实质上就是载人的卫星,与卫星不同的是它有应急、营救、返回、生命保障等系统,以及雷达、计算机和变轨发动机等设备。宇宙飞船的体积和质量都不太大,因此飞船每次只能乘2~3名宇航员,一般在太空中只能停留几天。

目前,科学家已经研制出三种结构的宇宙飞船,即一舱式、两舱式和三舱式。一舱式是最简单的,只有宇航员的座舱;两舱式飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成,改善了宇航员生活和工作的环境;三舱式是在两舱式的基础上增加了一个轨道舱,增大了宇航员的活动空间,可以进行多种科学实验。

宇宙飞船的返回舱与“黑障”现象

宇宙飞船的返回舱是一个密闭座舱,在轨道中飞行时与轨道舱连在一起,成为航天员的居住舱。在宇宙飞船起飞阶段和降落阶段,航天员都要半躺在该舱内的座椅上。座椅前方是仪表板,可以显示飞行情况。座椅上安装姿态控制手柄,在飞船自控失灵时,可以手动此手柄进行调整。

飞船(三舱式)返回地面之前,轨道舱和服务舱分别与返回舱分离,并在进入大气层的过程中焚毁,只有返回舱载着航天员返回地面。返回舱进入地球大气层时,在某一段时间内,会出现与外界联络严重失真甚至中断的现象,这在航天上叫“黑障”现象。原来,航天器在经过大气层时,与大气产生剧烈的摩擦,使其表面与周围的空气发生电离,从而导致通信电波衰减或无法发出。

当航天器的速度逐渐减慢后,通信也就恢复正常了。

航天飞机与空天飞机

航天飞机是集卫星、飞机、宇宙飞船技术于一身的,部分可重复使用的航天器。它需垂直起飞、水平降落,以火箭发动机为动力发射到太空,能在轨道上运行,且可以往返于地球表面和近地轨道之间。

它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。