9.《從地球到月球》

1865—1870年，儒勒·凡爾納創(chuàng)作的科幻小說《從地球到月球》在法國出版發(fā)行。他在小說中提了一個極其獨特的問題：將載人的超大號炮彈式車廂發(fā)射到月球上去。儒勒·凡爾納還展示了看似可行的設(shè)計方案，這讓很多讀者產(chǎn)生了一個疑問：這個設(shè)想有沒有實現(xiàn)的可能？

現(xiàn)在讓我們來聊一聊這個有趣的話題。

首先我們討論一下，我們能否向宇宙發(fā)射一顆炮彈，并且不讓它落回地球？這種情況存在理論上的可能，不過從實際的角度出發(fā)，為什么水平射出的炮彈一定會落到地球上呢？因為地球會給炮彈施加引力，引力會讓炮彈的飛行方向發(fā)生變化。它不是走直線，而是在地面上進(jìn)行曲線飛行，因此它終究會掉落在地球上。的確，地球的表面也不是平整的，不過炮彈擁有更加彎曲的飛行路線。假如我們減少炮彈路線的曲率，讓它和地球表面的曲率保持一致，這樣一來，射出去的炮彈就永遠(yuǎn)也不會落在地球上，而會繞著地球進(jìn)行曲線飛行。也就是說，它將成為地球的衛(wèi)星，幾乎就是第二個月亮。

不過，怎樣才能讓炮彈的飛行曲率比地球表面的曲率大呢？答案非常簡單，觀察圖25，圖中描述的是地球的一部分剖面圖。將一門大炮（山高可以忽略不計）放在山上的A點處。如果地球不存在引力，射出的炮彈在一秒鐘后就會到達(dá)B點。因為引力的關(guān)系，炮彈的飛行路線發(fā)生了改變。炮彈在1s后并沒有到達(dá)B點，而是到達(dá)了比B點低5m的C點。在重力的作用下，每一個自由落體的物體在地表附近（真空）飛行時，第一秒經(jīng)過的距離都是5m。假如這顆炮彈在下落5m后和地面的距離與它在A點時和地面的距離保持一致，那就說明它正在繞著地球飛行。

我們現(xiàn)在如果能計算出AB線段的長度（圖25），即炮彈在一秒鐘內(nèi)沿水平方向經(jīng)過的長度，我們就能得出炮彈應(yīng)該用什么樣的速度發(fā)射出去才不會掉落在地球上。用三角形AOB不難算出這個距離：三角形中的OA表示地球的半徑（大約6370000m），OC=OA, BC=5m，所以，OB=6370005m。依照勾股定理我們能夠得知：

計算可知，AB約為8km。

這樣一來，如果空氣的阻力等于0，那么用大炮水平射出的，以8km/s的速度飛行的炮彈就永遠(yuǎn)也不會落到地球上，它會像一顆衛(wèi)星一樣，圍繞著地球旋轉(zhuǎn)。

假如我們讓大炮以更快的速度射出炮彈，那么炮彈會飛向什么地方呢？天體力學(xué)證明，8km/s、9km/s、10km/s的炮彈會圍繞地球作橢圓形的路線飛行，初速度越大，橢圓形越扁長。如果炮彈以11.2km/s的速度飛行，炮彈的飛行路線就不再是橢圓形，而是非封閉的曲線，或者被稱為“拋物線”，那樣的話，炮彈將會永遠(yuǎn)從地球上離開（如圖26）。

所以我們能夠看出，從理論上講，如果速度夠快，坐著炮彈去月球并不是一件無法完成的事情。（以上推論的前提是大氣不阻礙炮彈的運動。然而現(xiàn)實中大氣會阻礙炮彈的運動，會給實現(xiàn)超高速帶來不小的麻煩。）