9．五個拉格朗日點

第一個離開地球軌道的載人飛船是“阿波羅8號”。這一成就至今依然是20世紀最非凡、但也最不知名的創舉之一。那時，航天員點燃了強大的土星5號火箭的三級和末級發動機，迅速推著指令艙和3名航天員加速到接近11千米每秒的速度。而之前，到月球所需能量的一半已經用在進入地球軌道上了。

第三級發動機燒完之后，除了中途需要調整軌道以保證不錯過月球之外，就不再需要發動機了。近40萬千米的航行中，有90%的旅程，指令艙都因受到地球引力的反向牽引（不過越來越弱）而越來越慢。同時，由于靠近了月球，月球的引力越來越強。所以，途中必定存在一個位置，月球和地球的引力在那里正好平衡。當指令艙飛過那點以后，速度再度變快，加速飛向月球。

如果引力是唯一需要考慮的力，那這點就是地—月系統里反向力完全抵消的唯一位置。但是地球和月球同時還圍繞著位于地心和月心連線上地表下約1600千米處的共同引力中心旋轉。當物體繞圈時，不論速度和圈的大小，都會產生把物體向遠離圈中心方向推的新力。如果你開車做急轉彎，或者在游樂場里玩旋轉類游戲，你都會感覺到這種“離心”力。在游樂場那些令人眩暈的游戲里，比較經典的就是讓你背靠墻站在一個大圓盤的邊上，隨著整個裝置開始旋轉并且越來越快，你會感覺到有越來越強的力把你釘在墻上。達到急速時，你根本無法移動。這時你腳下的地板被抽掉，整個裝置都傾斜并翻轉過來。我小時候玩這類游戲時，力量大到幾乎連手指都無法移動，和身體的其他部分一起被粘在墻上。

如果你感到反胃并且把頭扭向旁邊，嘔吐物會沿著切線方向飛出去，或者粘在墻上。更糟的是，如果你不轉腦袋，由于離心力極強，嘔吐物在你嘴里吐都吐不出來。（回想起來，我之后再也沒有在任何地方見到這種游藝項目，我懷疑是不是被禁止了。）

離心力的產生只是因為運動物體有保持直線運動的趨勢，所以并不是真正的力，但是計算的時候可以當它們存在。當你這么算的時候，就像18世紀法國天才的數學家約瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange,1736—1813）做的一樣，你會在旋轉的地—月系統里找到地球引力、月球引力和離心力完全抵消的點。這些特殊的位置就是拉格朗日點，有5個。

第一個拉格朗日點（簡稱L1）在地球和月球中間，比純引力平衡點略偏向地球。放在那里的任何物體都能以和月球相同的周期圍繞地—月引力中心旋轉，看上去就像是固定在地—月連線上。雖然在第一拉格朗日點所有力是平衡的，但它是不穩定的平衡。如果物體向側向任何方向偏離，三股力的共同作用都會使它返回原先的位置。但是如果物體朝向或背向地球偏移，即使非常微小，都會直接落向地球或月球，就像山尖上剛好平衡的一顆彈球，只要有絲毫偏離就會往山的一邊或另一邊滾落。

第二和第三拉格朗日點（L2和L3）也在地—月連線上，但是L2遠在月球外側，L3相反，在地球的外側。三股力——地球引力、月球引力和旋轉系統的離心力——依然同時抵消。同樣，位于這兩點的物體也會以和月球相同的周期環繞地—月引力中心旋轉。

象征L2和L3的引力山頂比象征L1的山頂要寬得多。所以如果你發現自己正飄向地球或月球，只需消耗一丁點燃料就可以讓你回到原位。

如果說L1、L2和L3是挺好的位置，那L4和L5就是當之無愧的最佳拉格朗日點。它們一個在地—月連線的左側遠處，一個在右側遠處，分別和地球與月球構成等邊三角形，它們各是一個頂點，地球和月球是另兩個頂點。

和在前三個點處一樣，在L4和L5處所有力是平衡的。但是與其他僅是非穩定平衡的拉格朗日點不同，L4和L5處的平衡是穩定的。不管向哪個方向傾斜和漂移，力都會阻止你繼續傾斜，就像待在一個四面環山的山谷里一樣。

對于每個拉格朗日點，如果物體不是正好處于所有力完全抵消的位置上，它的位置就會圍繞平衡點來回振蕩，其路徑稱為天平動（libration）。（可別和地面上因飲酒而頭昏腦脹的特殊點搞混了。）天平動就好比一個球從山上滾下來沖過谷底，然后來回擺動的情況。

L4和L5不單是軌道上的奇特點，也是可以建造太空殖民地的特殊位置。你所要做的只是把建筑材料運到那里（不僅從地球開采，或許也可以從月球或小行星上開采）然后返回去裝更多的材料，而不用擔心放在那里的材料會飄走。待所有材料都運到這個零重力環境后，你可以建造一個巨大的空間站（數十千米寬），而建筑材料承受的壓力非常小。通過旋轉空間站產生的離心力能夠為數百（或數千）居民模擬出重力的效果。1975年8月，天文愛好者基思（Keith）和卡羅林·漢森（Carolyn Henson）專門為此而建立了“L 5協會”，不過這個協會被人記住是因為它與普林斯頓大學物理學教授兼太空幻想家杰瑞德·歐尼爾（Gerard K. O'Neill）之間的共鳴。歐尼爾在其作品中，如1976年的經典《高邊疆：人類太空殖民》，提出了太空殖民的設想。L5協會的指導原則是：“在L5舉辦的大會上解散協會”，地點應該是在某個太空居住點，從而可以宣布“任務完成”。1987年4月，L 5協會與美國全國太空學會合并為美國全國太空協會，該協會至今仍在運作。

在平動點上放置大型結構的想法早在1961年就出現在亞瑟·查理斯·克拉克（Arthur C. Clarke）的小說《月塵如月》里。克拉克對特殊軌道可不陌生。1945年，在一份4頁的手打備忘錄上，他首次計算了地球上空衛星周期與地球自轉周期完全吻合的位置。處于那個軌道上的衛星看起來就像懸浮在地面上空，是理想的洲際無線通信中繼站。如今，數百顆通信衛星正在做這樣的工作。

這個神奇的地方在哪？它不是低地球軌道。位于低地球軌道上的物體，例如哈勃太空望遠鏡和國際空間站，繞地球1圈需要大約90分鐘。而像月球那么遠的物體需要大約1個月。邏輯上，肯定有個介于兩者之間的距離，那里的軌道周期為24小時。它就位于地表35900千米上空。

事實上，旋轉的地—月系統并沒有什么特別。旋轉的日—地系統也有五個拉格朗日點。日—地系統的L2點更是天體物理衛星的寵兒。日—地系統的拉格朗日點每一地球年繞日—地系統的引力中心轉一圈。在太陽的相反方向上，離地球160萬千米遠處，L 2點上的望遠鏡能夠24小時不間斷地觀測整個夜空，因為地球已經小得微不足道了。相反，從低地球軌道，也就是哈勃望遠鏡的位置看起來，地球又近又大，幾乎擋住了一半視野。威爾金森微波各向異性探測器[以已故普林斯頓大學物理學家、該項目合作者戴維·威爾金森（David Wilkinson）的名字命名]于2002年到達日—地系統的L 2點，數年間一直忙于搜集宇宙微波背景（大爆炸無所不在的痕跡）的數據。日—地系統L2區的山尖比地—月系統L 2的更寬更平。盡管只保留了10%的燃料，但也已經足夠這個太空探測器在這個不穩定平衡點附近待上近一個世紀。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡以20世紀60年代美國國家航空航天局前任局長的名字命名，美國國家航空航天局現在計劃以它作為哈勃望遠鏡的繼任者。它也將在日—地系統的L2點上運行。即使在它到達以后，那里仍有足夠的空間（數萬平方千米）安置更多的衛星。

美國國家航空航天局另一顆熱愛拉格朗日點的衛星叫“起源號”，它在日—地系統的L1點附近擺動。在該系統里，L1點位于地球上空朝向太陽方向160萬千米處。有兩年半的時間，起源號面對太陽收集最100純凈的太陽物質，包括來自太陽風的原子和分子。收集到的材料將會被送回地球，在猶他州上空進行空中回收，讓人研究其組成成分，就像星塵號將其收集到的彗星塵埃送回地球一樣。“起源號”為我們提供了一個研究原始太陽星云的窗口，太陽和行星就形成于此。離開L1點后，返回樣本繞著L2點繞圈，以在返回地球前確定它的軌道。

由于L4和L5點是穩定的平衡點，有人可能認為太空垃圾會在此附近聚集，使得在那里工作非常危險。事實上，拉格朗日曾預見到在引力強大的日—木系統的L4和L5點會找到太空碎片。一個世紀之后，1905年，發現了第一顆特洛伊小行星。現在我們知道，在日—木系統的L4和L5點上，成千上萬顆小行星在木星前后以相同的周期繞著太陽運轉。就像被牽引光束拽著一樣，這些小行星永遠被日—木系統的引力和離心力控制著。當然，我們也預計太空垃圾會在日—地系統和地—月系統的L4與L5點積累。確實如此，但遠比不上日—木系統中的規模。

作為一項重要的附加優點，從拉格朗日點出發的行星際軌道只需要非常少的燃料就可以到達其他拉格朗日點，甚至是其他行星。從行星表面發射時，大多數燃料消耗在飛離地面的過程中，與此不同，從拉格朗日點發射就像船駛離干船塢，只要一點燃料就可以輕輕地漂入海洋。在現代，我們與其考慮建立可以自持的拉格朗日殖民地和農場，還不如考慮把拉格朗日點作為進入太陽系其他部分的通道。從日—地系統的拉格朗日點出發去火星要省一半費用，這不是以距離或時間，而是以極其重要的燃料消耗來衡量的。

在未來太空拓展的一種設想里，人們想象太陽系里每個拉格朗日點都有燃料站，在去其他行星探親訪友的路上，旅行者可以去那里給火箭注滿燃料。這種旅行模式，不管聽起來有多超前，并不是完全的牽強。如果美國各地不是布滿加油站的話，你的汽車得有土星5號火箭那樣的比例才能橫跨美國：汽車體積和質量的大部分都得是燃料，主要用于運送橫跨美國途中將要被消耗的燃料。在地球上我們不會這樣旅行，或許我們也不該再用這種方式穿梭太空了。