9．五个拉格朗日点

第一个离开地球轨道的载人飞船是“阿波罗8号”。这一成就至今依然是20世纪最非凡、但也最不知名的创举之一。那时，航天员点燃了强大的土星5号火箭的三级和末级发动机，迅速推着指令舱和3名航天员加速到接近11千米每秒的速度。而之前，到月球所需能量的一半已经用在进入地球轨道上了。

第三级发动机烧完之后，除了中途需要调整轨道以保证不错过月球之外，就不再需要发动机了。近40万千米的航行中，有90%的旅程，指令舱都因受到地球引力的反向牵引（不过越来越弱）而越来越慢。同时，由于靠近了月球，月球的引力越来越强。所以，途中必定存在一个位置，月球和地球的引力在那里正好平衡。当指令舱飞过那点以后，速度再度变快，加速飞向月球。

如果引力是唯一需要考虑的力，那这点就是地—月系统里反向力完全抵消的唯一位置。但是地球和月球同时还围绕着位于地心和月心连线上地表下约1600千米处的共同引力中心旋转。当物体绕圈时，不论速度和圈的大小，都会产生把物体向远离圈中心方向推的新力。如果你开车做急转弯，或者在游乐场里玩旋转类游戏，你都会感觉到这种“离心”力。在游乐场那些令人眩晕的游戏里，比较经典的就是让你背靠墙站在一个大圆盘的边上，随着整个装置开始旋转并且越来越快，你会感觉到有越来越强的力把你钉在墙上。达到急速时，你根本无法移动。这时你脚下的地板被抽掉，整个装置都倾斜并翻转过来。我小时候玩这类游戏时，力量大到几乎连手指都无法移动，和身体的其他部分一起被粘在墙上。

如果你感到反胃并且把头扭向旁边，呕吐物会沿着切线方向飞出去，或者粘在墙上。更糟的是，如果你不转脑袋，由于离心力极强，呕吐物在你嘴里吐都吐不出来。（回想起来，我之后再也没有在任何地方见到这种游艺项目，我怀疑是不是被禁止了。）

离心力的产生只是因为运动物体有保持直线运动的趋势，所以并不是真正的力，但是计算的时候可以当它们存在。当你这么算的时候，就像18世纪法国天才的数学家约瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange,1736—1813）做的一样，你会在旋转的地—月系统里找到地球引力、月球引力和离心力完全抵消的点。这些特殊的位置就是拉格朗日点，有5个。

第一个拉格朗日点（简称L1）在地球和月球中间，比纯引力平衡点略偏向地球。放在那里的任何物体都能以和月球相同的周期围绕地—月引力中心旋转，看上去就像是固定在地—月连线上。虽然在第一拉格朗日点所有力是平衡的，但它是不稳定的平衡。如果物体向侧向任何方向偏离，三股力的共同作用都会使它返回原先的位置。但是如果物体朝向或背向地球偏移，即使非常微小，都会直接落向地球或月球，就像山尖上刚好平衡的一颗弹球，只要有丝毫偏离就会往山的一边或另一边滚落。

第二和第三拉格朗日点（L2和L3）也在地—月连线上，但是L2远在月球外侧，L3相反，在地球的外侧。三股力——地球引力、月球引力和旋转系统的离心力——依然同时抵消。同样，位于这两点的物体也会以和月球相同的周期环绕地—月引力中心旋转。

象征L2和L3的引力山顶比象征L1的山顶要宽得多。所以如果你发现自己正飘向地球或月球，只需消耗一丁点燃料就可以让你回到原位。

如果说L1、L2和L3是挺好的位置，那L4和L5就是当之无愧的最佳拉格朗日点。它们一个在地—月连线的左侧远处，一个在右侧远处，分别和地球与月球构成等边三角形，它们各是一个顶点，地球和月球是另两个顶点。

和在前三个点处一样，在L4和L5处所有力是平衡的。但是与其他仅是非稳定平衡的拉格朗日点不同，L4和L5处的平衡是稳定的。不管向哪个方向倾斜和漂移，力都会阻止你继续倾斜，就像待在一个四面环山的山谷里一样。

对于每个拉格朗日点，如果物体不是正好处于所有力完全抵消的位置上，它的位置就会围绕平衡点来回振荡，其路径称为天平动（libration）。（可别和地面上因饮酒而头昏脑胀的特殊点搞混了。）天平动就好比一个球从山上滚下来冲过谷底，然后来回摆动的情况。

L4和L5不单是轨道上的奇特点，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运到那里（不仅从地球开采，或许也可以从月球或小行星上开采）然后返回去装更多的材料，而不用担心放在那里的材料会飘走。待所有材料都运到这个零重力环境后，你可以建造一个巨大的空间站（数十千米宽），而建筑材料承受的压力非常小。通过旋转空间站产生的离心力能够为数百（或数千）居民模拟出重力的效果。1975年8月，天文爱好者基思（Keith）和卡罗林·汉森（Carolyn Henson）专门为此而建立了“L 5协会”，不过这个协会被人记住是因为它与普林斯顿大学物理学教授兼太空幻想家杰瑞德·欧尼尔（Gerard K. O'Neill）之间的共鸣。欧尼尔在其作品中，如1976年的经典《高边疆：人类太空殖民》，提出了太空殖民的设想。L5协会的指导原则是：“在L5举办的大会上解散协会”，地点应该是在某个太空居住点，从而可以宣布“任务完成”。1987年4月，L 5协会与美国全国太空学会合并为美国全国太空协会，该协会至今仍在运作。

在平动点上放置大型结构的想法早在1961年就出现在亚瑟·查理斯·克拉克（Arthur C. Clarke）的小说《月尘如月》里。克拉克对特殊轨道可不陌生。1945年，在一份4页的手打备忘录上，他首次计算了地球上空卫星周期与地球自转周期完全吻合的位置。处于那个轨道上的卫星看起来就像悬浮在地面上空，是理想的洲际无线通信中继站。如今，数百颗通信卫星正在做这样的工作。

这个神奇的地方在哪？它不是低地球轨道。位于低地球轨道上的物体，例如哈勃太空望远镜和国际空间站，绕地球1圈需要大约90分钟。而像月球那么远的物体需要大约1个月。逻辑上，肯定有个介于两者之间的距离，那里的轨道周期为24小时。它就位于地表35900千米上空。

事实上，旋转的地—月系统并没有什么特别。旋转的日—地系统也有五个拉格朗日点。日—地系统的L2点更是天体物理卫星的宠儿。日—地系统的拉格朗日点每一地球年绕日—地系统的引力中心转一圈。在太阳的相反方向上，离地球160万千米远处，L 2点上的望远镜能够24小时不间断地观测整个夜空，因为地球已经小得微不足道了。相反，从低地球轨道，也就是哈勃望远镜的位置看起来，地球又近又大，几乎挡住了一半视野。威尔金森微波各向异性探测器[以已故普林斯顿大学物理学家、该项目合作者戴维·威尔金森（David Wilkinson）的名字命名]于2002年到达日—地系统的L 2点，数年间一直忙于搜集宇宙微波背景（大爆炸无所不在的痕迹）的数据。日—地系统L2区的山尖比地—月系统L 2的更宽更平。尽管只保留了10%的燃料，但也已经足够这个太空探测器在这个不稳定平衡点附近待上近一个世纪。

詹姆斯韦伯太空望远镜以20世纪60年代美国国家航空航天局前任局长的名字命名，美国国家航空航天局现在计划以它作为哈勃望远镜的继任者。它也将在日—地系统的L2点上运行。即使在它到达以后，那里仍有足够的空间（数万平方千米）安置更多的卫星。

美国国家航空航天局另一颗热爱拉格朗日点的卫星叫“起源号”，它在日—地系统的L1点附近摆动。在该系统里，L1点位于地球上空朝向太阳方向160万千米处。有两年半的时间，起源号面对太阳收集最100纯净的太阳物质，包括来自太阳风的原子和分子。收集到的材料将会被送回地球，在犹他州上空进行空中回收，让人研究其组成成分，就像星尘号将其收集到的彗星尘埃送回地球一样。“起源号”为我们提供了一个研究原始太阳星云的窗口，太阳和行星就形成于此。离开L1点后，返回样本绕着L2点绕圈，以在返回地球前确定它的轨道。

由于L4和L5点是稳定的平衡点，有人可能认为太空垃圾会在此附近聚集，使得在那里工作非常危险。事实上，拉格朗日曾预见到在引力强大的日—木系统的L4和L5点会找到太空碎片。一个世纪之后，1905年，发现了第一颗特洛伊小行星。现在我们知道，在日—木系统的L4和L5点上，成千上万颗小行星在木星前后以相同的周期绕着太阳运转。就像被牵引光束拽着一样，这些小行星永远被日—木系统的引力和离心力控制着。当然，我们也预计太空垃圾会在日—地系统和地—月系统的L4与L5点积累。确实如此，但远比不上日—木系统中的规模。

作为一项重要的附加优点，从拉格朗日点出发的行星际轨道只需要非常少的燃料就可以到达其他拉格朗日点，甚至是其他行星。从行星表面发射时，大多数燃料消耗在飞离地面的过程中，与此不同，从拉格朗日点发射就像船驶离干船坞，只要一点燃料就可以轻轻地漂入海洋。在现代，我们与其考虑建立可以自持的拉格朗日殖民地和农场，还不如考虑把拉格朗日点作为进入太阳系其他部分的通道。从日—地系统的拉格朗日点出发去火星要省一半费用，这不是以距离或时间，而是以极其重要的燃料消耗来衡量的。

在未来太空拓展的一种设想里，人们想象太阳系里每个拉格朗日点都有燃料站，在去其他行星探亲访友的路上，旅行者可以去那里给火箭注满燃料。这种旅行模式，不管听起来有多超前，并不是完全的牵强。如果美国各地不是布满加油站的话，你的汽车得有土星5号火箭那样的比例才能横跨美国：汽车体积和质量的大部分都得是燃料，主要用于运送横跨美国途中将要被消耗的燃料。在地球上我们不会这样旅行，或许我们也不该再用这种方式穿梭太空了。