升空的夢想：氣球

第一艘載人升空的飛船的設計源自中國古代技術：孔明燈，一種裝有小油燈或蠟燭的飄浮氣球?？酌鳠舻臍v史可追溯到中國三國時期，最初用于戰爭，向己方軍隊發送信號，抑或迷惑對手。如今，它們被稱為天燈，在世界各地的節慶活動中出現，比如印度教等慶祝的排燈節和泰國北部的傳統節日天燈節。

泰國北部的傳統節日天燈節期間，金色的燈籠照亮夜空

最初的孔明燈是用紙或布做成的繭狀物，將加熱的空氣堵在火焰上方。當一種物質受熱時，其分子會加速振動（請記住，溫度只是這種運動的一個度量）。充滿活力、快速運動的空氣分子需要更多的空間來搖擺和抖動，因此它們所占據的體積會隨著彼此向外移動而擴大，使氣球內空腔的密度低于周圍空氣的密度。燈籠內裹著的熱空氣在周圍密度較高的空氣海洋中帶著蠟燭上升。燈籠繼續上升，一直到周圍越來越稀薄的空氣達到與整個燈籠本身相同的密度，或者直到蠟燭燃盡。

如果讓你回憶最早的航空先驅，你可能會想到萊特兄弟。但是在奧維爾和威爾伯于1903年在北卡羅來納州基蒂霍克起飛的一個多世紀前，一對法國兄弟就已經用他們的“氣動地球儀”（更為人熟知的名字是熱氣球）開啟了人類航空史。這些飛行器所依賴的浮力物理學原理與中國古代的孔明燈相同，但它們使用了一個足夠大的吊籃，可以把人懸掛在下面。

“三色”氣球上升（1874）

1783年，約瑟夫-米歇爾·蒙戈爾菲耶和雅克-艾蒂安·蒙戈爾菲耶兄弟在法國南部測試了第一個這樣的氣球。他們還招募了第一批知名的“飛行員”：一只羊、一只鴨和一只公雞。這個奇特的組合飛行了八分鐘，航程兩英里，之后安全返回地球，開創了人類飛行的時代。

將近一個世紀后，氣象學家、天文學家詹姆斯·格萊舍與氣球駕駛專家亨利·考克斯韋爾合作，進行了一次幾乎致命的飛行實驗。格萊舍決心弄清氣球能把人帶到多高的高度，以及在飛行途中能學到什么有關大氣和氣壓的知識。在1871年出版的《空中旅行》（Travels in the Air）一書中，格萊舍問道：“空氣海洋的波濤，在其無名的海岸內，難道不包含著無數注定要在化學家、氣象學家和物理學家手中得到發展的發現嗎？”

到了維多利亞時代，實驗者們認識到，用氣泵打滿一種本身比空氣輕的氣體，氣球可以比普通熱空氣升得更高、更快，而且不用加熱。當時，大多數氣球制造者使用的是普通煤氣這種為廚房爐灶提供動力的東西，因為它含有氫氣、甲烷和一氧化碳的低密度混合物。格萊舍和考克斯韋爾利用他們的煤氣氣球升到了35 000多英尺的高空，然后因在低壓空氣中缺氧而失去知覺，他們的皮膚也因凍傷而變黑。他們還患上了減壓病（decompression sickness），又稱“屈肢癥”——與潛水員上浮過快時的癥狀類似。他們這樣做是為了科學。雖然他們在實驗中瀕臨死亡，但他們的情況比伊卡洛斯的要好很多，后者實際上死于實驗。

根據考克斯韋爾和格萊舍的氣壓計以及氣球上其他儀器所顯示的，他們要么到達了平流層，要么非常接近平流層。他們如果能夠繼續上升，就會在地球大氣層的下一層發現有趣的數據。不過，每個浮力氣球都有一個高度極限，超過這個高度就不再上升。只要氣球及其有效載荷的密度小于周圍大氣海洋的密度，氣球就會上升。不過，當到達密度相等的高度時，氣球就會像海面上的浮標一樣搖擺不定。

如今，氣象學家經常發射氣象氣球，氣球上沒有蠟燭、農場動物或人類，而是裝有專門用于監測氣壓、溫度和相對濕度的儀器。有了這些氣球，我們就能根據每小時的天氣預報知道棒球比賽是否會被取消，美國國家航空航天局是否會繼續發射火箭，以及出門之前是否應該戴上遮陽帽或耳罩。