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      宇宙中的“拉格良朗日點(diǎn)”

      2021-08-03 09:40:49王依兵
      百科探秘·航空航天 2021年6期
      關(guān)鍵詞:小菲大兵拉格朗

      王依兵

      當(dāng)當(dāng)當(dāng)!一陣急促的敲門(mén)聲把大兵老師從睡夢(mèng)中驚醒。他揉揉惺忪的睡眼看了一眼墻上的鐘表,喃喃自語(yǔ)道:“誰(shuí)呀?大中午敲門(mén)?!闭f(shuō)罷打著哈欠走去開(kāi)門(mén)。

      “老師好!”兩個(gè)身影嗖地一下躥了進(jìn)來(lái),還沒(méi)等大兵老師反應(yīng)過(guò)來(lái),兩人已經(jīng)坐到了客廳沙發(fā)上。轉(zhuǎn)回頭,大兵老師才看清是壯壯和小菲。他們倆是星空小學(xué)的四年級(jí)學(xué)生,經(jīng)常來(lái)找大兵老師問(wèn)一些稀奇古怪的問(wèn)題。

      大兵老師:你們中午跑來(lái)有什么事嗎?

      壯壯:我們?cè)诳匆槐竞教鞎?shū)時(shí)被一個(gè)詞難住了,所以趕緊跑來(lái)向您請(qǐng)教。

      小菲:書(shū)里說(shuō),為了給我國(guó)發(fā)射的月球探測(cè)器“嫦娥四號(hào)”提供在月球背面著陸的通信支持,航天工程師們特意在地月系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)L2附近布置了“鵲橋”中繼衛(wèi)星……

      壯壯:拉格……什么點(diǎn),到底是什么意思?

      小菲:是拉格朗日點(diǎn)!

      大兵老師:哈哈,你們想了解拉格朗日點(diǎn)得先知道拉格朗日。

      小菲:拉格朗日是人名還是地名?

      壯壯:當(dāng)然是地名了,不是說(shuō)“鵲橋”中繼衛(wèi)星就在那里嘛!

      大兵老師:壯壯說(shuō)錯(cuò)了,拉格朗日真的是個(gè)人名喲!

      誰(shuí)是拉格朗日

      大兵老師:拉格朗日是位非常偉大的數(shù)學(xué)家,同時(shí)他在物理學(xué)和天文學(xué)方面也做出了巨大貢獻(xiàn)。他的全名叫約瑟夫·路易斯·拉格朗日。

      壯壯:名字這么長(zhǎng)!

      小菲:英語(yǔ)老師不是講過(guò)西方很多人名都是分好幾節(jié)的嗎?一般前面是名,最后一節(jié)是姓。

      大兵老師:是啊,拉格朗日擁有意大利和法國(guó)血統(tǒng),他的祖父本來(lái)是法國(guó)軍人,他的祖母是意大利人,二人結(jié)婚后定居在意大利。拉格朗日小的時(shí)候家境很好,但是自從他的父親經(jīng)商破產(chǎn)后,家里的日子就難過(guò)多了。

      拉格朗日沒(méi)有按照父親的愿望成為一名律師,而是迷上了數(shù)學(xué)。他18歲時(shí)就寫(xiě)出了一篇關(guān)于微積分的數(shù)學(xué)論文。19歲那年,他就成了都靈皇家炮兵學(xué)校的教授。

      壯壯:才19歲就當(dāng)上教授了呀!我們19歲時(shí)最多也就上到大學(xué)二年級(jí)吧。

      小菲:那你還得先考上大學(xué)再說(shuō)。

      大兵老師:你們才上小學(xué)就已經(jīng)懂這么多航空航天知識(shí)了,考大學(xué)不成問(wèn)題!言歸正傳,介紹完拉格朗日,我們要說(shuō)說(shuō)拉格朗日點(diǎn)了。

      什么是拉格朗日點(diǎn)

      大兵老師:在講拉格朗日點(diǎn)之前,我要先問(wèn)你們一個(gè)問(wèn):題——你們知道萬(wàn)有引力定律嗎?

      小菲:我知道!萬(wàn)有引力定律是牛頓提出的,它是說(shuō)任何兩個(gè)物體間都存在引力,而且距離越近引力越大。

      大兵老師:小菲說(shuō)得差不多了,不過(guò)萬(wàn)有引力的大小還與兩個(gè)物體的質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量越大,引力就越大。地球和月亮之間就存在萬(wàn)有引力,如果在地球和月球周?chē)目臻g中放一艘無(wú)動(dòng)力的宇宙飛船,我們能不能讓這艘宇宙飛船相對(duì)于地球和月球來(lái)說(shuō)靜止不動(dòng)呢?

      壯壯:那就像拔河一樣唄,得在地球和月球中間找到一個(gè)點(diǎn),在這個(gè)點(diǎn)上,地球和月球?qū)τ钪骘w船的引力剛好相等,那它就可以停在這個(gè)點(diǎn)上不動(dòng)了。

      大兵老師:壯壯回答得非常好!你已經(jīng)找到一個(gè)拉格朗日點(diǎn)了!

      小菲:壯壯厲害呀,時(shí)隔兩分鐘,當(dāng)刮目相看!

      壯壯:那是!不過(guò),我找到“一個(gè)”?難道還有其他拉格朗日點(diǎn)嗎?

      大兵老師:對(duì),在拉格朗日之前,他的老師歐拉就已經(jīng)計(jì)算出三個(gè)這樣的點(diǎn)。后來(lái),拉格朗日又計(jì)算出兩個(gè)點(diǎn),并在一篇名為《論三體問(wèn)題》的論文中把這五個(gè)點(diǎn)列舉出來(lái),后人就把這五個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為拉格朗日點(diǎn),并用L1、L2、L3、L4和L5進(jìn)行區(qū)分。大家可以看我電腦上的這張圖。

      小菲:如果這個(gè)黃點(diǎn)代表地球,藍(lán)點(diǎn)代表月球的話,那么我們把宇宙飛船放在任意一個(gè)紅點(diǎn)處,它都可以靜止不動(dòng)嗎?

      壯壯:不對(duì)啊!我剛才說(shuō)的那個(gè)位置應(yīng)該是L1吧。宇宙飛船在這里的時(shí)候,地球向左拉,月球向右拉,引力相等飛船就不動(dòng)了。但是L2這個(gè)點(diǎn)在月球軌道外側(cè)呀,飛船在這里的話,地球和月球都向左拉它,那它肯定會(huì)向左移動(dòng)撞向月球,怎么可能靜止不動(dòng)呢?

      大兵老師:這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得好!不過(guò),這也說(shuō)明你還沒(méi)有理解“相對(duì)靜止”這個(gè)概念。其實(shí),宇宙飛船在拉格朗日點(diǎn)上所謂的靜止,并非完全不動(dòng),而是地球、月球和宇宙飛船這三個(gè)物體之間的位置關(guān)系保持不變,也就是說(shuō)它們可以是同時(shí)旋轉(zhuǎn)著的。當(dāng)它們同時(shí)旋轉(zhuǎn)起來(lái)的話,即使地球和月球?qū)τ钪骘w船的引力并未相互抵消,它也不一定會(huì)靠近月球,因?yàn)橐€為飛船提供了旋轉(zhuǎn)的向心力。

      見(jiàn)壯壯和小菲“兩臉困惑”,大兵老師拿出一個(gè)粘著棉線的乒乓球放在桌子上。

      大兵老師:我們來(lái)做個(gè)實(shí)驗(yàn)吧。小菲你拿著線的一頭兒,讓乒乓球在桌面上勻速旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

      小菲按照這個(gè)方法旋轉(zhuǎn)著乒乓球。

      大兵老師:手的位置保持不動(dòng),速度加快一點(diǎn)兒!你感覺(jué)到什么了?

      小菲:我感覺(jué)到乒乓球在向外拉線。

      大兵老師:對(duì),乒乓球在向外拉線,同時(shí)你的手也通過(guò)線在向中心拉乒乓球,這就是向心力。有了這個(gè)力乒乓球才能勻速旋轉(zhuǎn)。

      壯壯:我明白了!如果把乒乓球換成宇宙飛船的話,地球和月球?qū)λ囊φ脮?huì)讓它繞著一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

      小菲:但是地球和月球也必須同時(shí)繞著它們之間的一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn),一直保持轉(zhuǎn)速和飛船一致才有可能讓引力方向也跟著轉(zhuǎn)。

      大兵老師:非常好!回去以后你們可以再想一想其他幾個(gè)拉格朗日點(diǎn)是如何平衡的?,F(xiàn)在你們應(yīng)該明白,為了保證“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器在月球背面著陸,航天工程師們把“鵲橋”中繼衛(wèi)星放在L2點(diǎn)的原因了吧?首先,只有把中繼衛(wèi)星放在拉格朗日點(diǎn)上,它才能乖乖待在軌道上工作,不會(huì)到處亂跑。其次,在五個(gè)拉格朗日點(diǎn)中,只有L2位于月球背面,最有利于承擔(dān)“嫦娥四號(hào)”在月球背面著陸的信號(hào)傳輸任務(wù)。

      小菲:除了地球一月球系統(tǒng),其他天體之間也存在拉格朗日點(diǎn)嗎?

      大兵老師:理論上,在每個(gè)由兩大天體構(gòu)成的系統(tǒng)中都有五個(gè)拉格朗日點(diǎn),但其中只有兩個(gè)是穩(wěn)定的。每個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)同兩大天體可以構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。

      壯壯:原來(lái)是這樣啊,怪不得在《三體》這部小說(shuō)中程心和云天明會(huì)相約在太陽(yáng)一地球拉格朗日點(diǎn)見(jiàn)面!

      大兵老師:對(duì)了,還要提醒大家一句,一定要注意L3那個(gè)點(diǎn)并不在月球運(yùn)行的那條虛線軌道上,而是在非??拷菞l線的地方!

      拉格朗日點(diǎn)有什么用

      小菲:除了可以放“鵲橋”中繼衛(wèi)星,拉格朗日點(diǎn)還有其他用處嗎?

      大兵老師:由于在拉格朗日點(diǎn)附近的航天器自己就能保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),所以,地面控制中心的工程師們只要每隔一段時(shí)間為航天器修正一下位置就可以了,省事又節(jié)省燃料。剛才我們說(shuō)的“鵲橋”中繼衛(wèi)星是在地球-月球系統(tǒng)的L2點(diǎn)附近,而太陽(yáng)一地球系統(tǒng)的L2點(diǎn)更適合布置太空望遠(yuǎn)鏡。

      小菲:這是為什么呢?

      壯壯:我覺(jué)得可能是因?yàn)樘煳挠^測(cè)需要在天黑的時(shí)候,而在太陽(yáng)-地球這個(gè)系統(tǒng)的L2點(diǎn)上,地球的身體剛好擋住了太陽(yáng)光,這樣位于L2點(diǎn)上的太空望遠(yuǎn)鏡就可以24小時(shí)觀測(cè)夜空了。

      小菲:有道理,但是地球擋住了太陽(yáng)光,這里會(huì)不會(huì)很冷啊?

      大兵老師:你們說(shuō)得非常好。事實(shí)上,著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡和即將發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡都布置在太陽(yáng)一地球系統(tǒng)的L2點(diǎn)附近,當(dāng)然它們的抗寒能力也必須強(qiáng)。而負(fù)責(zé)觀測(cè)太陽(yáng)的SOHO衛(wèi)星不但不能躲著太陽(yáng),還要天天對(duì)著太陽(yáng),所以它的位置就要在太陽(yáng)一地球系統(tǒng)的L1點(diǎn)附近。近年來(lái),太陽(yáng)-地球系統(tǒng)的L1點(diǎn)附近熱鬧極了,SOHO衛(wèi)星、太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器WIND、先進(jìn)成分太陽(yáng)風(fēng)預(yù)警探測(cè)器ACE、深空地球環(huán)境觀測(cè)器DSCOVR和激光干涉空間天線開(kāi)路者號(hào)LISA都?xì)g聚在這里。

      當(dāng)然,另外幾個(gè)拉格朗日點(diǎn)也具有潛在的利用價(jià)值。木星軌道上的很多小行星早已經(jīng)入駐了太陽(yáng)一木星系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn),根據(jù)觀測(cè),在太陽(yáng)一木星系統(tǒng)中的L4、L5點(diǎn)上各存在至少一千多顆小行星,它們年復(fù)一年地在木星軌道上圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。你們可以思考一下人類(lèi)的太空探索可以怎樣利用L3、L4和L5嗎?

      壯壯和小菲陷入了沉思。突然,小菲看了一眼大兵老師家墻上的時(shí)鐘,驚叫道:“哎呀,不好了!快到L2點(diǎn)了!我們要回學(xué)校了!”說(shuō)完大家哈哈大笑……

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