马克思说:“在科学的入口处,正像在地狱的入口处一样,必须提出这样的要求:‘这里必须根绝一切犹豫;这里任何怯懦都无济于事。’”
20世纪天文学从以牛顿经典力学为基础的近代天文学发展到以现代物理学为基础的现代天文学;天文观测技术伴随着天文学的发展不断进步;20世纪中发展起来的空间探测的成就令世人振奋。
在20世纪天文学发展的历史长河里,涌现出30个作出了重大贡献的科学家或科学家群体。他们发现了恒星演化的规律,证明了河外星系的存在,找到了银河系的**所在……本书将带你来到20世纪科学的入口处,在这里回望20世纪天文学发展的历史,了解你想知道的20世纪天文学发展的一切。

1 揭开月球背面的秘密
月球是地球**的天然卫星,它像一个忠诚的卫士一样永远围绕着地球旋转不息。平时,人们都把月球叫做月亮。一提起月亮,人们都有一种说不出来的亲切感。自古以来,人们就对月亮观察得特别多,尤其是有了天文望远镜之后,人们看清了月球表面的地形,还给环形山和平原都加以命名。每当皓月当空,银色的月光洒满大地之时,更能勾起人们的无限遐思。然而,令人们遗憾的是,月球却始终以同一面对着地球,也就是说地球人从来都看不到月球的背面。月球背面什么样,成为一个**的宇宙之谜。直到20世纪中期,人类进入了空间时代的时候,这个亘古至今的月背之谜才被揭开。
为什么我们看不到月球的背面
为什么我们只能看到月球的正面,却永远看不到它的背面呢?如果你以前没有注意过这个问题的话,可以自己观察一下,一连几个月,甚至几年,坚持下来,那么你一定会发现你所看到的月亮表面是永远不会变化的。月面上有的地方亮些,有的地方暗些,那亮的地方有许多环形山,暗的地方是低洼地。但是,不管你是在满月时看,还是弦月时看,那些明亮部分和黑暗部分的形状、大小和位置都永远不会改变。这就说明,我们看到的永远是月亮的同一面。如果你能用一架天文望远镜来观察月亮,当然就能更清楚地看清月面的环形山和低洼地,更能确认我们看到的是月亮的同一面。月亮总以同一面朝向地球,不论什么时候,我们永远只能看见它的这一面。
有人可能会感到很奇怪,月球是地球的卫星,它围绕着地球不停地旋转,为什么会总以同一面对着地球呢?原因只有一个,那就是月球的自转周期与公转周期完全相同,一点不差。正像地球在围绕太阳公转的同时也绕着自转轴自转一样,月球在围绕着地球公转的同时,也围绕着自己的自转轴在不停地自转。地球的公转周期约是365.24天,而自转周期仅仅24小时,地球不可能永远以同一面对向太阳。有趣的是,月球的公转周期和自转周期都是约27天7小时43分,就因为这两个周期完全相同,才造成了月亮始终以同一面对着地球的结果。
我们可以通过一个简单实验,来体会为什么月亮的自转周期与公转周期相等就会总以同一面对着地球。在操场上画一个大圆圈,A站在圆圈的中间,B沿着圆圈走,A注意观察B。A会发现,他永远只能看见B的一个侧面,而看不见B的另一个侧面。A还会发现原因所在:当B沿着圆圈走了一周的同时,B本身也自转了一周,也就是B的公转周期和自转周期完全相等。月球自转周期与公转周期的相等并不是偶然的巧合。在太阳系以及地月系统形成的初期,月球的自转比现在快得多,那时月球表面还存在着许多熔岩之类的流体。地球的引潮力造成了月球上的潮汐,潮汐摩擦使月球的自转逐渐变慢,直至月球的自转周期和公转周期相等为止。这时,月亮以一面对向地球,潮汐不再传播,潮汐摩擦不再起作用。
当然,月球绕地球旋转的实际情况还要复杂一些。月球的自转运动是很均匀的,但是它绕地球公转的轨道并不是一个正圆,而是一个椭圆,地球位于椭圆的一个焦点上。月球的公转运动也遵从开普勒行星运动定律,在相同时间内扫过相同的面积。因此,它的公转速度有时快些,有时慢些。这就造成了我们实际上看到的月亮,并不是十分严格地以同一面朝向地球,而是相对于平均位置稍微有些摆动。再加上月亮的自转轴同它的公转轨道平面并不垂直,这样,我们在一个月之内累积起来,总共可以看到大约59%的月亮表面,即略大于整个月面的一半,剩下的41%在地球上就永远看不到了。
知识链接 《水调歌头·明月几时有》
明月几时有,把酒问青天。不知天上宫阙,今夕是何年。我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒。起舞弄清影,何似在人间。
转朱阁,低绮户,照无眠。不应有恨,何事长向别时圆。人有悲欢离合,月有阴晴圆缺,此事古难全。但愿人长久,千里共婵娟。
——苏轼
我们不清楚宋代文豪苏东坡在做这首咏月词的时候,知道不知道自己永远看不见月球的背面。
揭开月球背面的秘密
望远镜发明以后的几百年来,人们对月球正面的情况了解得越来越细致、越来越深入,与此同时,人们对月球背面的好奇心也越来越强了。看看月球背面到底是什么模样,成了人们梦寐以求的愿望。宇航技术诞生以后,人类的这个愿望终于得以实现。
月球是距地球*近的天体,自然就成为人类空间探测的**目标。*先发起月球探测活动的是前苏联。从20世纪50年代末期开始,前苏联接连向月球发射探测器。经过3次失败的教训之后,前苏联在1959年一年之内连续发射了“月球”1号、2号和3号3颗探测器,大获成功。1959年1月2日发射的“月球”1号在月球近旁距月球5000~6000千米处掠过;1959年9月12日发射的“月球”2号,成功抵达月球,一头撞在月球正中的奥托利克环形山上,实现了在月面的硬着陆;同年10月4日发射的“月球”3号成绩*大,它**次实现了绕月飞行,当它绕到月球背面的时候,在距离月球60~70千米的高空,**成功地拍摄了月球背面的照片,然后飞向地球,在接近地球时将月背照片发送回地面接收站。至此,人类**次目睹了月球背面的真实面目,使我们对月球背面的情况有了一个初步的了解。1965年7月,前苏联发射的“月球”8号探测器拍摄了月球背面更详细的照片。
美国在月球探测方面也不甘示弱,1958年共发射了5颗“先驱者”号测器;1961~1965年共发射了9颗“徘徊者”号月球探测器;1966~1968年共发射了7颗“勘测者”号月球探测器;1966~1967年共发射了5颗“月球轨道环行器”号月球探测器。这些探测器发回了大量月球正面和背面的传真照片。美国宇航局根据这些资料编制出详细的月球背面地图。更加令世人震惊的是,1961~1972年,美国实施了把宇航员送上月球的“阿波罗”探月计划。在“阿波罗”系列飞船的绕月飞行中,拍摄月球的照片也是他们的任务之一,每一次都拍摄了大量的月球照片,其中当然包括月球背面的照片。如今,人们已经很详细地掌握了月球背面的情况。
知识链接 伽利略发现月球上的环形山
1609年,伽利略发明了折射式望远镜。当威尼斯的元老们通过望远镜将远处的建筑物、船只甚至人畜等都看得清清楚楚的时候,大家都惊叹不已。然而,伽利略发明望远镜的目的,并不满足于只让人们随便欣赏一下远处的风光,他的心中另有更大的志向,那就是要观察宇宙星空,探索宇宙奥秘。伽利略瞄准的**个天体就是月球,他的**个重大发现就是月球上面布满了环形山。
月球背面的特点
月球的背面到底什么样?月球的背面与正面既有相同之处也有不同的地方。相同点在于正面和背面的环形山都很多,不同点在于正面的低洼地多,并且面积很大的低洼地多,而背面的低洼地很少,月球背面大约90%的面积都是高地和山区。月球正面月海周围围绕着许多山脉,如阿尔卑斯山、亚平宁山等,而月球背面几乎没有明显的山脉。
月球背面的高地和环形山多,地势起伏悬殊。月球的平均半径是1738千米,但它并不是一个标准的圆球,*长半径比平均半径多出4千米,*短半径比平均半径短了5千米。令人感兴趣的是,月球的*长半径和*短半径,也可以说是*高的峰和*低的谷都在背面。月球背面的月壳一般都比正面厚,正面月壳厚约60千米,而背面月壳*厚处达150千米。月球正面发现了不少高密度的质量瘤(因月球内部物质分布极不均匀产生的重力异常区,亦即质量密集区),然而迄今为止在月球背面还没有发现这样的质量瘤。
月球背面的月海比正面少得多,月球表面共有22个月海,19个都在正面,背面只有3个。月球背面的月海也比正面小得多,月球背面*大的月海是莫斯科海,面积约6万平方千米,而正面*大的月海——风暴洋面积达500万平方千米。月球背面有许多巨大的、特征鲜明的同心圆结构,*典型的就是东海的同心圆,直径远远超过了东海,大约900千米。它们是怎样形成的,是在什么年代形成的,它们又具有哪些地质特性,等等,有关月背同心圆的这些问题目前仍然是没有解开的宇宙之谜。
月背环形山虽然数量上多,但一般没有正面的大。月背的环形山也都以**天文学家和科学家的名字命名,如北半球的一些环形山取名为布鲁诺环形山、门捷列夫环形山、罗蒙诺索夫环形山和居里环形山等,南半球的环形山取名为多普勒环形山、焦耳环形山、维尔努环形山和齐奥尔科夫斯基环形山等。月球背面还有5座环形山是以我国古代**科学家的名字命名的,他们是战国时期的天文学家石申,东汉的天文学家张衡,南北朝的数学家、天文学家祖冲之,元代的科学家郭守敬,第五位是万户。万户是古代军队中的一个官职,据说有一个万户曾经幻想能像乌儿一样飞到天上去看一看,他自己设计了一把“飞天椅”,把一大捆当时的土火箭捆绑在椅子背后让别人把它们点燃,希望用这种方法能把自己送上天去。结果这个万户成为历史上**个为飞上太空而献身的人。土火箭点燃,火药燃烧产生的热气向下喷射,产生了反推力,土火箭一下子就腾空而起了。土火箭是靠自身喷气推进而升到空中的。现代火箭用的就是这个原理。万户虽然没有能飞上天,但是他想借助火箭的推力飞上天空的想法是非常可贵的。现在世界上公认他是人类航天事业的真正始祖。
知识链接 世界上**幅月亮的照片
19世纪30年代末,法国艺术家达盖尔发明了照相术,随后英国天文学家约翰。赫歇耳又发明了定影术。1840年,美国化学家约翰·德雷伯首先想到要用照相机给天体拍照,他把照相机连接在望远镜上,对准的**个天体就是月亮。借助摆钟系统带动望远镜,使之跟踪运动的月亮曝光了20分钟,结果他获得了世界上**幅月亮的照片,当然同时也是**幅天体的照片。
未来的月背探测
为什么月球背面的地形会与正面有很大区别?这是没有任何科学意义的巧合呢,还是另有特殊意义?目前对这个问题还没有令人满意的解释。但有许多人相信可能是地球作用于月球的引潮力使得月球形成了正面和背面的这种差异。
月球背面目前还有许多令我们非常感兴趣的未解之谜。这些难题吸引着科学家们持续不断地进行月球探测。我国的月球探测计划“嫦娥工程”正在紧张有序地进行着,“嫦娥”1号探月卫星已经发射成功。美国宇航局不久之前又宣布了一项雄心勃勃的探月计划,要在未来10年内,将宇航员送上月球背面。登上月球背面的计划要比“阿波罗”计划庞大得多,预计耗资超过560亿美元。这一计划是几年前美国总统布什提出的“重返月球”项目的一部分。按计划**批将有4名宇航员登上月球背面,收集月背的岩石标本,进行科学实验,特别是要考察月球背面是否存在水,因为水对于人类未来在月球上建立**基地至关重要。
未来,美国宇局还计划把宇航员运送到月球表面的山地和南北极地区,以建立一个能让宇航员到达月球表面任何地方的系统。美国宇航局负责登月计划的一位主管人说:“宇航员登月后收集到的岩石标本和进行的科学实验将有助于人们了解月球的起源和构成,以及在月球上建立基地的条件是否具备。”
知识链接 探测器发现月球上有水
1994年美国的“克莱门汀”探测器发现月球南极附近的一个盆地中可能有冰存在。有冰就是有水,消息引起了全球的轰动。为了证实月球上是否真的有水,1998年美国宇航局又发射了“月球勘探者”号探测器。“月球勘探者”号探测器发回的数据表明,月球两极存在着大约60亿吨冰冻状态的水。据分析,月球上的水绝大多数来自撞击月球的彗星。如果月球有水的观点能够得到*后的确认,那么对于人类未来的月球开发2 人类登上了月球
自古以来,美丽的月球就对人们有着强烈的吸引力。我**喻户晓的古代神话故事《嫦娥奔月》就反映出古人希望登上月球的美丽幻想。19世纪的法国作家儒勒·凡尔纳(1828-1905)写了两本**的科幻小说《从地球到月球》和《环绕月球》,描述了人类登上月球探险的过程,反映出当时的西方人对于登上月球的迫切愿望。人类的这一梦想和愿望在20世纪60年代的末期终于变成了现实。美国“阿波罗”登月计划经过了8年艰苦卓绝的努力,连续发射“阿波罗”1~10号飞船进行试验,终于在1969年7月20日将载人的“阿波罗”11号飞船成功地送上月球,实现了人类登上月球的愿望。
震惊世界的“阿波罗”计划
1957年10月4日,前苏联发射了人类的**颗人造卫星;1959年10月,前苏联的月球探测器**拍摄到月球背面的照片;1961年4月12日,前苏联又将宇航员加加林乘坐的“东方”1号宇宙飞船送上太空,围绕地球飞行108分钟后**返航,让加加林成为人类历史上**位太空使者。前苏联空间探测的这一连串的**大大地刺
激了美国,在加加林上天仅仅一个多月以后,即1961年5月25日,美国总统肯尼迪就发表了重要的演说,郑重宣布“阿波罗”计划开始,立志要在10年内把人送到月球上去。
“阿波罗”计划是一项十分宏伟的载人登月活动,引起了全世界的震惊和密切关注。把这项活动取名为“阿波罗”计划(或叫“阿波罗”工程)也是极富含义的。阿波罗是希腊神话中的太阳神,月亮女神阿尔忒弥斯是阿波罗的妹妹。派阿波罗去探月当然是再合适不过了。为了实现这一壮举,美国宇航局总共动员了2万家企业、200多所大学和80多个科研机构的42万多人参加了这项庞大工程,历时11年,耗资250多亿美元。
怎样**地把人送上月球呢?美国宇航局经过对多种预备方案一次又一次的反复分析和比较,*后选择了“登月舱’’的方式。这种方式是先把飞船发射到环绕月球的轨道上,飞船在那里发出登月舱,让宇航员乘坐登月舱在月球上软着落。“阿波罗”飞船由指令舱、服务舱和登月舱三部分组成。登月舱里携带有燃料,这是等到登月考察结束以后飞离月面时起飞用的。还有4只可伸长的底脚,起到一个临时的小发射架的作用。
为了能够成功地将“阿波罗”飞船送上月球,美国宇航局还委派**火箭专家冯·布劳恩为这次登月活动专门研制了巨型运载火箭“土星”5号,它的三级液体火箭全长110.6米,直径10米。这个“巨无霸”的运载能力之大是****的,起飞重量2 840吨,能把100吨重的卫星送上地球轨道,或者是把50吨重的飞船送上月球。
在经过了8年艰苦卓绝的努力奋斗,连续发射“阿波罗”1~6号进行6次不载人的近地轨道飞行试验,“阿波罗”7~9号3次载人模拟登月飞行,“阿波罗”10号1次到达距月面15千米处载人登月预演之后,终于在1969年7月16日成功发射载人的“阿波罗”11号飞船,并于7月20日将宇航员送上月球。

1 揭开月球背面的秘密
2 人类登上了月球
3 地球的另一把保护伞——范爱伦带
4 金星的温室效应
5 火星生命的探索
6 类木行星的光环
7 冥王星——从大行星到矮行星
8 神祕的柯伊伯带天体
9 20世纪的天文奇观——彗星与木星相撞
10 太阳活动及对地球影响的研究
11 赫茨普龙和罗素发现恒星演化规律的故事
12 爱丁顿验证广义相对论的创举
13 银河系的**在哪里
14 河外星系的发现
15 钱德拉塞卡和爱丁顿关于白矮星质量上限的争论
16 射电天文学的开拓者——央斯基和雷伯
17 宇宙是从热大爆炸中诞生的吗
18 赖尔发明综合孔径射电望远镜
19 类星体的发现
20 星际分子的发现
21 宇宙微波背景辐射的发现
22 脉冲星的发现
23 赫尔斯和泰勒发现射电脉冲双星的故事
24 泰勒间接验证引力波的故事
25 轮椅上的天才——霍金
26 20世纪轰动科学界的天文事件:超新星1987A
27 里卡尔多·贾科尼开辟X射线天文学的故事
28 中微子天文学的创立
29 寻找太阳系外的行星系统
30 搜寻地外文明的“凤凰计划”回顾

本书是“20世纪科学史丛书——在科学的入口处”之一,该书全面而系统地向少年儿童介绍了20世纪科技史。书中萃取了30位天文学领域科学家的杰出贡献与感人故事,将人类科学发展史上的成就、发展历程、科学家的献身精神一一呈现在孩子们面前,激励和打动着孩子们的心。