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史海钩沉,1963——我们为什么应该登月

译指禅  · 公众号  ·  · 2018-11-22 21:06

正文


译指禅导读:

1962年9月12日,肯尼迪发表演讲《我们选择登月》。之后,这篇演讲被视为阿波罗登月计划奠基的第一铲土。

而《大西洋月刊》随后发布《我们为什么要登陆月球》,更是成为民众的一支强心剂。

最后肯尼迪本人于1963年遇刺身亡,登月计划由约翰逊总统与尼克松总统接管。 终于在1969年7月成功将人类送上了月球。

请看60年前来自《大西洋月刊》的那篇著名文章:


美国国会被要求在本财年为美国国家航空航天局(nasa)的项目提供57亿美元,大约相当于联邦税收的六分之一。这种支出水平要求重新评价太空项目。

批评家们质疑太阳系的探索是否为美国此时所从事的一项正当事业;或者,考虑到这一步骤的最终重要性,是否必须以目前的速度进行。

批评的焦点是载人登月的阿波罗计划,它从美国国家航空和宇宙航行局预计的57亿美元预算中支付了37亿美元。阿波罗计划的预算引发了当前的强烈抗议,这源于1961年的一项决定。当时,载人航天计划已经超出了水星计划的范围,全面解决了载人登月和行星飞行的问题。

这个决定的动力来自苏联在1961年2月和3月取得的一系列成就 ,当时苏联迅速连续发射了四艘飞船,每艘都重达1万磅甚至更多。1961年4月12日,加加林少校乘坐一艘重达14000磅的宇宙飞船成功地绕地球轨道飞行,并在1小时47分钟内绕地球一周后安全返航。因此,世界见证了苏联人的首次太空飞行。

1961年5月26日,肯尼迪总统向美国人民提出了对苏联的挑战。他敦促美国致力于实现将人类送上月球,并在十年内安全返回地球的目标。

肯尼迪总统的讲话揭示了这一建议背后的原因:在未来几年里,我们面临着在载人航天领域仅次于苏联的暗淡前景;载人登月将是美国在太空领域取得的第一个重大成就。

一项强有力的努力可以在本世纪末实现载人登月;如果美国将1970年定为登陆月球的目标日期,那么它很有可能在苏联解体前实现这一目标。

肯尼迪总统要求对提议的承诺进行仔细审查:“我认为这个国家的每一个公民以及国会议员在做出判断时都应该仔细考虑这个问题……同意或希望美国在外太空采取肯定的立场是毫无意义的,除非我们准备做这项工作并承担责任”。

1961年7月,国会以压倒性的票数通过了要求拨款的议案,以推动太空计划的高速发展。1962年,国会重申其支持,将前一年的预算翻了一番。现在,在1963年,我们看到了我们在太空中不断增加的劳动成果。载人飞行计划正迅速通过其中间目标,朝着登月的里程碑迈进。整个太空飞行计划产生了大量的科学研究,以及在天气预报和通信方面的经济重要应用。

与此同时,俄罗斯在载人航天计划中继续显示出巨大的活力。加加林的单轨道飞行之后,跟随蒂托夫的十七轨道飞行任务,其他的多轨道飞行任务,以及成对的宇航员之间的近距离交会的完成。 经过一段时间的沉寂,苏联的太空科学计划在过去几年中已经升级到了很高的水平,在去年发射了18颗Kosmos科学卫星、一个月球探测器和一个火星探测器。苏联对美国的太空挑战似乎没有松懈。

那么,对扩大美国太空计划的承诺提出质疑的依据是什么?

对有限的国家资源的分配感到担忧的批评家们质疑,用这种方式来使用资金是否合理,否则这些资金可能被用来改善地球表面的人类命运。用于太空研究的部分资金会不会被用于其他公益项目——医学研究、教育、住房、对新兴国家的技术援助 -- 这些为促进社会福利的项目?

这个问题意味着公共资金是可以转让的。 但是,减少对一个国家方案的支持并不能保证增加对其他项目的支持。肯尼迪总统最近说:“有人说我们应该把我们投入太空的资金用于住房或教育......我的判断是,他们会削减太空计划,而你不会得到额外的教育经费。“

但是,如果太空资金不能轻易地转向其他渠道,这种负面考虑本身并不是这些大笔支出的原因。 我们从这项投资中得到的正面价值是什么?

这个国家可以预料到太空计划带来以下后果:对科学基本问题的研究成果;卫星应用于通讯和天气预报的经济效益;对工业产生的长期技术效益;对科学和科学教育的普遍激励;最重要的是,来自美国在太空稳固的领导地位。

科学管理人员问,即使有了这些好处,我们能担负的起太空计划的技术人力成本吗?联邦政府在国防、太空和原子能方面的活动消耗了美国近一半的科学和工程人才,这一事实加剧了他们的担忧。

但是,在这个由技术机构组成的联邦联合体中,航天局是受过训练的人力资源的主要消费者吗?实际上,NASA将通过与私营企业的合同,在科学和工程领域使用6%的国家人力资源,另外还有1%用于政府实验室。 如果太空计划具有实质价值,这不是一个巨大的消耗。

但是,看到太空探索的好处的科学家们反对载人航天计划的时间表,尤其是载人登陆月球的时间表。他们认为,太空研究的目标可以通过机器人仪器来实现,而载人飞行计划可以以较慢的速度进行。

这个问题需要进一步探讨美国太空努力的动机。它主要是一个科学项目吗? 还是出于对国家利益和国家目标的广泛关注?回顾1961年国会给予新的太空项目的大力支持,很明显,这种支持并非纯粹出于科学原因,而是源于一种根深蒂固的信念,即扩大的计划将为我们未来的福利和安全做出重要贡献。

我们认为,这就是为什么人民支持扩大的太空计划以及国会投票赞成的原因。这让我们明白我们与一些科学同事一起提出严重问题,他们抱怨说:“在月球计划中,对月球的科学探索一直是次要的项目。”这句话是基于这样一个前提,即科学应该在太空计划中占有首要地位。然而,虽然科学在月球探测中发挥了重要作用,但它从未打算成为该项目的主要目标。月球计划的推动力源于其在美国远程探索太阳系计划中的地位。

该计划的核心是太空人,即人类对其物理环境的控制的延伸。太空飞行的科学技术是辅助发展,支持载人探索的主旨,同时它们为我们的经济和文化带来了宝贵的回报。我们在太空中所做的科学提供了相当于从早期探险之旅中回收的黄金和香料。

这是纳税人对其国家未来投资的回报

但这项计划的推动力并不仅仅是在科学研究领域,尽管从长远来看这是很有价值的。因此,该计划的速度不能由科学研究的衡量模式来决定,而必须由应对国家挑战的紧迫性来决定。

在这些言论中,我们表达了我们的观点,即公民对这个国家的命运充满信心。现在,作为科学家,我们希望转向月球计划的科学目标。 月球探测可以解决哪些重要问题? 科学的一个经典问题涉及太阳系的起源——我们是如何在物理意义上来到这里的。

这是一个人类几个世纪以来一直在思考的问题,也是一个最具科学意义和哲学重要性的问题。这也是太空计划可以做出独特贡献的探索,因为令人惊讶的是,对月球的探索直接关系到这个基本问题。

为了理解月球探索的相关性,我们必须退后一步,提供关于恒星(如我们的太阳)形成方式的新想法的总体背景,以及围绕恒星形成的行星可能是如何形成的。这个故事将带我们走过100亿年的恒星历史。

根据当前天体物理学的图景,当一些偶然的密度波动将构成星际物质的气体和尘埃粒子聚集在一起时,一颗恒星诞生了; 然后,颗粒之间的引力吸引力使它们更紧密地结合在一起,在中心形成非常强烈的冷凝,具有非常高的温度和压力。 当温度达到大约1000万度时,发生热核反应的时机就成熟了。

其中氢原子核结合或融合形成氦原子核,同时释放出巨大的能量。这种能量的释放可以防止恒星在重力的作用下进一步坍缩。但最终氢燃料耗尽,恒星再次收缩,直到温度达到1亿度。 此时,氦核融合形成单个较重的碳核,由碳、氧和其他元素组成。

以这种方式,相继较重的元素由原始氢构成。 整个元素表是在恒星中心的这个如火如荼地进行过程中逐步开发的 - 从氢的基本构建块中合成宇宙的所有元素。 我们在氢弹爆炸的短暂时刻重复了这个过程,但我们还没有成功地在受控条件下生产它。

在恒星生命的末期,所有可用的燃料都被消耗掉了,没有任何进一步的能量释放能支持它抵抗上层的巨大压力。坍塌导致恒星爆炸和毁灭。爆炸的恒星被称为超新星。

在超新星爆炸中,恒星的大部分物质,包括在其生命周期内合成的元素,被喷射到太空中。这些元素与星际空间的氢结合形成了一种富集的混合物,包括碳、氧、铁和其他以前制造的元素。之后,在银河系历史上的另一颗恒星体内,富集的混合物可能会聚集在一起。

我们的太阳大概就是在这个过程中形成的。这些行星被认为是由原始太阳周围的气体云和尘埃凝结成的小核形成的。如果我们的地球是这样形成的,那么地球上的所有东西,包括我们身体的组成部分,都曾经在其他恒星中制造出来,分散到太空中,然后又凝结成尘埃和固体。

我们相信这一切都发生在45亿年前,但我们不知道它是如何发生的,也不知道围绕着太阳和行星起源的那些错综复杂的事件究竟是什么。这是一个令人着迷的问题,近年来一直是许多科学研究的目标。

在这一问题的研究中,对月球的探索起着非常特殊的作用,因为月球是一个表面保存了其历史记录非常长的天体。在地球上,大气层和海洋会在1000万到5000万年的时间里磨损表面特征。造山运动大约在同一时间内翻转了地表的大部分区域。

地球表面几乎没有留下几亿或10亿年前存在的特征,火星和金星可能也是如此,它们的性质与地球相似。但是在月球上,没有海洋和大气可以破坏地球表面,也没有迅速改变地球表面的造山运动。

由于这些原因,月球保留了一项可能可以追溯到数十亿年前太阳系婴儿期的记录。月球是太阳系的罗塞塔石碑,对于研究地球和行星起源的学者来说,这个没有生命的天体甚至比火星和金星更重要。

除了对其表面特征的研究外,月球的内部结构也能提供太阳系起源的线索。行星形成的两大主要理论之一(目前仍普遍流行)认为,它们是在我们的太阳和另一颗恒星接近碰撞时产生的,在碰撞过程中,这两个巨大星体之间的引力将喷出大量燃烧气体。

当第二颗恒星后退时,恰好在太阳附近的大量气体被它捕获,进入轨道,最终冷却并凝固,形成行星。

如果这样的碰撞是太阳系形成的方式,那么月球和行星在它们的历史早期一定是非常热的。在这种情况下,它们内部的重元素会融化并跑到中心形成一个致密的核。铁是重元素中最丰富的,因此根据这个理论,所有的行星都有铁芯。

另一种主要理论认为,行星是由原始太阳周围的气体和尘埃凝聚而成的。我们知道恒星本身可能就是这样形成的,是星际气体和尘埃的凝结。

如果月球和行星确实是由冷气体和尘埃凝聚而成,那么它们内部的铁不一定会融化并流向中心。像地球这样大的行星,由于内部放射性元素衰变而产生的热量,可能会完全融化,从而在任何情况下形成铁芯。但月球更小,如果它是冷的,足够的热量会从月球表面流失,以防止随后的融化。因此,月球不会形成铁核,但会保持一种结构,在这种结构中,少量的铁通过岩石主体分布,就像水果蛋糕里的葡萄干一样。

因此,在探月计划中,我们将研究这个问题以及其他与月球内部结构有关的问题,通过登陆月球表面的仪器来研究地球内部。这些将包括用于直接研究内部结构的地震检波器,以及放射性探测器,它们通过指示放射性铀和其他元素衰变后在月球内释放的热量,间接影响到这个问题。这种放射性热量补充了月球形成时的热量,在从内部结构推断出早期历史之前必须知道。

放射性探测器和地震仪是为“勘测者”号宇宙飞船开发的实验项目之一。“勘测者”号宇宙飞船是一艘无人飞船,计划于1964-1965年间登陆月球。通过在月球上进行的各种各样的实验,首先是使用无人驾驶的仪器,然后是训练有素的人类观察者,我们期望推断出与行星天体起源有关的信息。

这些问题的答案不仅对受过科学训练的人来说是有趣的。它们还具有重要的哲学意义和普遍意义,因为它们与生命的起源以及宇宙中其他生物存在的可能性有关。

因为,如果月球和行星是在两颗几乎相撞的恒星中形成的,那么生命肯定是非同寻常的,并且可能是独一无二的,因为太空几乎是空的,而且恒星之间的碰撞极为罕见。下面的类比说明了太空的空洞:如果纽约的太阳有橘子那么大,那么离太阳最近的恒星就是3000英里外的洛杉矶的另一颗橘子。

这是空间的空寂——橘子分布在3000英里以外。在这种情况下,我们可以估计,在银河系150亿年的生命周期中,只有10次类似产生行星的恒星碰撞发生。

另一方面,如果行星是作为我们太阳诞生时的凝结过程的自然伴生而形成的,那么行星的产生必然伴随着宇宙中几乎每一颗恒星的形成。

由于这些恒星的周围预计会有行星,所以在很多情况下,其中一颗行星的大小和离恒星的距离都适合生命以我们所知道的某种形式发展。

这些都是涉及到我们太阳系的物理起源和生命有机体的基本问题,现在在月球和行星探测的帮助下,就可以对其进行强有力的攻击。它们为月球计划中的无人驾驶和载人项目提供了科学的动力。

但一些科学家认为,有关月球和行星的大多数科学感兴趣的事实,可以通过远程控制仪器来了解,其成本比载人操作要低。《科学》杂志上的一篇社论估计,登陆月球的机器人仪器将帮助我们完成探月计划的所有重要阶段,费用仅为载人航天预算的1%。

实际上,对美国宇航局预算的检查表明,无人登月测量员项目是阿波罗项目成本的近10%,包括每个项目的开发成本。在长期持续项目的每次飞行基础上,成本比是16%。当考虑到由于将人送入控制系统而增加了任务成功的机会时,比较费用对载人行动仍然更有利。

但成本的比较并不是唯一的问题。问题是,机器人仪器能做人类能做的一切吗?

答案是,在早期阶段,最简单的观测可以通过远程控制进行。在以后的阶段,当人们试图用更复杂的实验来回答重要的问题时,受过训练的人类观察者会对这些实验的监督带来处理不可预见的困难和应对意外机会的能力。

在程序的这个高级阶段,自动化仪器必须设计得非常复杂,在可靠性和开发成本方面代价高昂,以实现对人类复杂性和灵活性的粗略模仿。成本和可靠性之间的平衡,提示将人类带到现场是昂贵的,但是有利的。

除了这些具体的调查之外,太空探索对整个物理科学和科学教育也有普遍的影响。从事与太空探索有关的问题研究的科学家通常把他们的领域称为太空科学。这个新领域是什么?是物理学、天文学还是地质学?

答案是,它是所有物理科学问题的集合,太空飞行实验可以对这些问题做出在地面上无法获得的独特贡献。这些问题涵盖了物理学、天文学和地球科学的大部分领域。这些领域在几百年前的科学革命中分裂开来,它们共同构成了曾经被称为自然哲学的领域。

现在,几个世纪以来,我们第一次感到我们的努力是团结的,因为我们把来自不同背景的人们聚集在一起,所有人都因对外部物质世界、对大规模自然事件及其原因的普遍兴趣而团结在一起。出于这种兴趣和活动,一门独立的学科正在形成,具有鲜明的特点和完整性。

我们称之为太空科学,这个名字可能会一直存在。但是,这一发展也代表了自然哲学古老传统的复兴,以及从过去几年科学的特征——专业化——向对人类物理环境进行更广泛研究的精神的转变。科学普遍性精神的复兴是太空研究的一个重要伴随物。

太空计划对国家未来的福祉更有价值,对年轻人有显著影响。它激发了学生的想象力,并为他提供了额外的激励,使他能够留在学校,训练他的精力,以达到建设性的目的,并获得先进科学和技术工作所需的培训。

这可能是太空研究的最大贡献之一 -- 通过它的普遍利益,它可能有助于价值的转变,这是美国充分发挥人才的巨大潜力所急需的。

这些是太空探索的具体价值: 基础研究的好处,卫星的经济价值应用,对工业技术的贡献,对教育和年轻一代的普遍影响,以及通过接受我们在一项历史性人类事业中的领导地位而加强我们的国际地位。

目前对太空项目的这些价值的讨论,使美国很好地把注意力集中到国家目的问题。但是,无论我们如何尝试将程序分解成它的要素,并试图对借方和贷方进行详细的平衡,事实仍然是太空努力大于其各部分的总和。

这不仅对美国,甚至对全人类来说,都是一次伟大的冒险和事业。我们有能力和资源在这一努力中发挥领导作用,我们不能袖手旁观。

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译指禅译者:小小草







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