探究物理：探索太空奧祕 by Chuliu 巨流圖書

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國家圖書館出版品預行編目（CIP）資料

探究物理：探索太空奧祕 / 卜勁松等編 ; 于今昌主編. -- 初版. -- 高雄市 : 麗文文化, 2017.02 面 ;

公分

ISBN 978-957-748-911-1（平裝）

1.天體物理學 2.通俗作品 330.8 105018431

探究物理：探索太空奧祕初版一刷•2017年2月

主編編者責任編輯封面設計發行人總編輯出版者地址電話傳真網址電子信箱劃撥帳號購書專線臺北分公司電話傳真法律顧問電話

于今昌卜勁松、王大鵬、王偉、邱玲、李曼、岳軍、林森、姜川、郭旭、孫鐘、張瑩、樊子健、錢余（依姓氏筆畫排列）林瑜璇、張如芷余旻禎楊曉祺蔡國彬麗文文化事業股份有限公司 80252高雄市苓雅區五福一路57號2樓之2 07-2265267 07-2233073 www.liwen.com.tw liwen@liwen.com.tw 41423894 07-2265267轉236 23445新北市永和區秀朗路一段41號 02-29229075 02-29220464 林廷隆律師 02-29658212

行政院新聞局出版事業登記證局版台業字第5692號 ISBN 978-957-748-911-1（平裝）本叢書經由長春出版社正式授權在台灣地區出版中文繁體字版本

定價：400元

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本書如有破損、缺頁或倒裝，請寄回更換。

推薦序

生長在一個知識爆炸的時代，我們每天甚至每分每秒都被新的資訊衝擊著，有時根本還來不及接收，這些新訊在轉眼間已成為舊聞；隨著科技產業的日新月異，新穎的科技產品也是不斷地推陳出新。我們每天幾乎都是透過手上的 3C 產品，將所有的資訊及知識「滑」到眼前，但不論內容是什麼，我們總是用不超過五秒鐘的時間，伸出手指毫不留情地將它滑開，因為後頭還有數不盡的新訊等著我們去看，沒有時間─仔細閱覽，深怕一個不留神，就跟不上這個快速轉變的世界。在我們汲汲營營求新求快的同時，似乎忘了抬頭看看四周的世界、忘了與你身旁的人對話、更忘了伸出手去翻一本好書。放下手機，試著回想你有多久沒有好好閱讀一本書了呢？尤其是正處求學階段的青少年們，陪伴你們成長、讓你們獲得知識的絕對不僅僅是那台電腦或那支手機，更多的是一本本放在書架上等著你去挖掘、去探索的知識寶庫。身為教育者最擔憂的莫過於看見莘莘學子們在 3C 世界裡不斷向下沉淪，每天緊盯著手上的螢幕，茶不思、飯不想，達到另一種「廢寢忘食」的境界，而學業，早就被拋諸於腦後了。這難道能不令人憂心忡忡嗎？要改善這個在校園裡已逐漸蔓延擴散的現象，必須從根本的基礎做起。首要的關鍵就是讓青少年重拾對閱讀的興趣，進而將閱讀視為一種生活態度，自然而然地在生活中養成閱讀的好習慣。「閱讀」是須要培養的。能夠引起閱讀動機，讓青少年主動伸手翻書是極為重要的第一步，然而要讓莘莘學子跨出艱難的這一步，書籍內容是否具有吸引力是相當關鍵的。當 i

然，能從閱讀中汲取知識、增廣見聞、豐富人生色彩，才是閱讀最大的樂趣與助益。在此，要鄭重向各位學子們推薦「青少年科普叢書」系列書籍，是專為中小學生打造的優良讀物，目前的出版品有《科學揭祕動物世界》、《探究物理》等套書。《科學揭祕動物世界》分為無脊椎類、海洋類、魚類、兩棲爬行類、鳥類、哺乳類等六冊，每冊皆有數十個主題，每個主題的篇幅精煉，並針對主題附上優美的照片，深刻讀者們的印象，讓讀者不僅能從文字認識動物，還可由照片看見動物之美。書中除了介紹生活中常見的動物之外，還要帶領大家認識稀有罕見甚至瀕臨滅絕的動物，讓我們能夠更加珍惜與愛護這片土地，好讓這些動物能無憂無慮地生存下去。此書最特別之處在於描寫了若干動物的小故事，為平凡的文字增添了生動有趣的色彩，也提升了對讀者的吸引力。《探究物理》分為挑戰萬有引力、遨遊電子王國、解譯聲波密碼、駕馭原子世界、探索太空奧祕等五冊，匯集多元的物理現象，藉由一則則小故事，介紹力學、電學、聲學、原子學及天文學等等的學科知識，其中也包含在全球廣為討論並飽受爭議的「核能」應用，使讀者懂得學思並重，思考物理學發展帶給人類的利弊得失，進而探究其未來趨勢，讓物理學為人類生活帶來更多更廣的助益。來吧！讓我們一同閱讀「青少年科普叢書」，揭開科學的神祕面紗，探索其中的奧妙，一定能讓你感受閱讀的樂趣，並且獲益良多。

王惠亮

王惠亮現職：國立高雄師範大學生物科技系教授兼副校長經歷：國立高雄師範大學生物科技系系主任、總務長、教務長學歷：美國康乃爾大學博士專長：分子生物、遺傳工程、生物農藥

推薦序

近代以來，科學發展迅速，民眾的工作與生活都講求迅速和效率，智慧型手機和電子產品充斥於生活之中，學生的學習受到很大影響，較常閱讀短文或短句，結果只能從事短句的寫作，導致「閱讀」這件事已被邊緣化。先進國家組成的 OECD 組織，大力提倡閱讀，發展 PISA 的測驗，我國也看見這等危機，參加測驗，並在學校教學提倡閱讀的教學與評量。科學的學習需要講求方法，動手做的學習、POE 的教學等不勝枚舉，然而，很多人卻忘了「知識」才是提升素養與學習的根本。知識靠閱讀，《探究物理》期望對中學生的閱讀作出貢獻，在內容的編排上，講究幾項特色：（一）科學史的內容，對科學演化歷程的理解即是對科學素養的提升，本叢書以科學史的邏輯引導學生有效閱讀科學，內容則延伸到最尖端的知識，大到宇宙的深處，小到原子或電子的運動，深入淺出地以「專題」的型態呈現，充實學生與科學對話的根本。（二）故事解說，美國解說之父 Tilden 曾提出生態解說的六大原則，故事解說是重要的原則之一，本叢書以科學故事的編排作為主軸，呼應善用學生喜歡聽故事的特質，有效提升中學生的科學知識。（三）閱讀的興趣，不論是科學教育學家或生態解說員，都同意提升學生的學習興趣，是學習的重要工作，本叢書把內容和標題趣味化，例如尋找系外行星的標題是「尋找太陽的表兄弟」，不但有效解說科學內容，更能促進學 iii

習的興趣，讓專業的知識不再艱深，藉以面對中小學生的學習特質。本叢書運用專題形式、科學史的故事以及趣味化的寫作，能夠有效吸引中學生對閱讀的喜好，進而提升中學生的科學素養，是一套值得推薦給中學生閱讀的好書。

蘇明俊

蘇明俊現職：樹德科技大學休閒與觀光管理系助理教授高雄市天文學會理事長經歷：國立高雄師範大學物理系兼任助理教授高雄市立左營高中、三民國中物理教師兼主任學歷：國立高雄師範大學科學教育理學博士專長：物理學、地球科學、科學教育 iv

前言

現代物理學是現代科學革命和現代技術革命的先驅。它推動了現代化學、天文學、地學和生物學，及新能源、新材料、資訊、生物、空間、海洋等技術的進步，對社會經濟和資訊時代的到來、人們的生活方式和國家的綜合實力，乃至世界格局都產生了巨大影響，其思想和方法也大大改變了人們的思想觀念和思維方式。為了滿足青少年對學習科學知識、掌握最新技術的強烈願望，按照教育部提出的素質教育的基本要求，我們組織專家學者精心編撰了一套適合中小學生閱讀、適合物理教。叢書共五冊，分別師作為教學參考的叢書─《探究物理》是《挑戰萬有引力》、《遨遊電子王國》、《解譯聲波密碼》、《駕馭原子世界》和《探索天空奧祕》。其中《挑戰萬有引力》，講述經典力學、熱力學和流體力學中許多耐人尋味的有趣現象和奇聞軼事，詳解第一、第二、第三宇宙速度，以及太空人駕馭太空船克服地球引力飛出了地球；《遨遊電子王國》簡述電子學、電磁學和光學的基本知《解譯聲波密碼》不識，介紹了它們在各自領域的獨特作用；僅講述了鮮為人知又趣味橫生的聲波故事，而且詳解了人類聽不見、看不見的超聲波、次聲波，以及它們對生產生活所產生的巨大作用；《駕馭原子世界》客觀評價了桀驁不馴的原子輻射給人類帶來的危害以及成功地駕馭原子讓它造福於人類，重點介紹了核武器的相關知識；《探索太空奧祕》揭示了宇宙間星雲、恆星、行星、小行星、彗星和月球的神祕身世，介紹了太空船、太空梭、太空實驗室、軌道站和國際太空站，以及中國航太事業在國際上的顯要地位。 v

本叢書彙集了物理學最前沿的知識，透過五百多則妙趣橫生的小故事和四百多幅生動有趣的插圖，深入淺出點出了力學、電學、光學、聲學、原子物理學、天體物理學、環境物理學等學門的重點與精髓。既為青少年讀者細細梳理了現代物理學的發展脈絡，重點詮釋了從經典物理學到現代物理學的完美嬗變，同時也展現了物理學未來發展的光明前景，是青少年學習和瞭解最新科技知識的良師益友。書中提出的一些懸而未決的疑難問題，必將激發出青少年探索物理奧妙的熱情與濃厚興趣，從而樹立攀登科學高峰的雄心壯志。

目次 v

Contents

前言

宇宙 002 小兒辨日和夸父追日

054 彗木相撞幫助我們瞭解木星

005 閃爍不定的太陽光

057 「戴草帽」的行星─土星

008 太陽元素的發現

060 天王星的發現

011 最早的日蝕記錄

063 到海王星上「作客」

014 最早的太陽黑子觀測與記錄

066 關於冥王星「身世」的質疑

017 幻日

069 從穀神星說起

020 霓和夜虹

072 攔截「天敵」避免撞擊

023 絢麗無比的北極光

075 彗星是災星嗎？

026 太陽也會壽終正寢

078 流星雨

029 希臘婦女戰勝羅馬艦隊

081 通古斯大爆炸之謎

032 天上的星星數不清

084 隕石趣話

036 牛郎織女難相會

087 世界上最大的「石頭雨」和最大的隕石

039 最亮的星 042 宇宙中最重的物質 045 水星的六大謎團

地球和月球

048 揭開神祕的金星面紗

092 地球也有一顆跳動的心臟

051 人類什麼時候能登上火星

095 豬尾巴的啟示

098 地球腰圍增粗之謎

航太

101 世界上最早測量子午線

162 人類期盼飛上月球

104 地球的模樣

165 登月前奏曲

107 地球上最大的傷疤

168 登上了月球

110 揭開海底的奧祕

171 人類六次探訪月球

114 過不著星期天的船長

174 他們看到了嫦娥居住的地方

117 世界各地同時進入2011 年嗎？

177 登上月球趣事多

120 聖嬰現象

180 前蘇聯人錯過了登上月球的時機

123 反聖嬰現象

183 「長征」火箭邁入世界先進行列

126 是誰戳破了擎天大傘

186 「神舟」揭祕

129 地外生命探測

189 維繫生命的太空服

132 尋找太陽的表兄弟

192 圓了千年的飛天夢

135 十字連星與人類大劫難

195 「神六」更神

138 八星會聚話禍福

198 「神七」問天

141 地球保衛戰

201 中國人什麼時候才能登上月球

145 探索月亮的身世

204 「嫦娥」探月

148 嫦娥與月海

208 2020 年前中國建成太空站

151 月球上的「月震雲」與月震

211 利用月球進行通訊

155 左右人情緒變化的竟是月亮

214 人類將開發月球

158 中國人的名字登上了月宮

217 從登月飛行到發射太空實驗室 220 載人軌道站 223 國際太空站 226 太空人的太空生活 230 太空人的健康

234 太空梭及其任務

271 動物與航太

237 太空梭的盔甲和「手臂」

274 動物在太空探索中屢建奇功

240 太空梭和太空站在太空「握手」 277 植物與航太 243 在太空給「星星」看病

280 航太活動與生命繁衍

246 從太空看地球觀日出

283 太空課堂

249 用生命鑄成的教訓

286 別具一格的太空旅館

252 太空「車禍」

289 未來宇宙城

255 太空垃圾造成的威脅

291 航太技術與國防現代化

258 撥雲見日的太空望遠鏡

294 航太母艦種種

261 哈伯太空望遠鏡

297 太空飛機

265 機器人走向太空

300 21 世紀的太空船

268 開拓無比誘人的太空

303 21 世紀人類的航太目標

小兒辨日和夸父追日

《列子》一書中，有這樣一則故事：孔子東遊，見兩小兒辯鬥，問其故。一兒曰：「我以日始出時去人近，而日中時遠也。」一兒次曰：「初出遠，而日中近也。」一兒曰：「日初出大如車蓋；及日中則如盤盂，此不為遠者小而近者大乎！」一兒曰：「日初出滄滄涼涼；及日中如探湯，此不為近者熱而遠者涼乎！」孔子不能決也，兩小兒笑曰：「孰為汝多知乎！」兩個小孩是爭執早上和中午的太陽距離觀察者的遠近。第一個孩子認為物體距離人的眼睛越近則物體越大，越遠則物體越小。所以太陽是剛升起來的時候離觀察者近，中午就遠了。而第二個孩子認為發熱的物體距離人越近人感覺越熱，越遠則人感覺越涼，所以太陽是剛升起來的時候遠，中午就近了。那麼，在一天當中，到底什麼時候太陽離我們較近呢？如果地球是依著真正的圓形軌道運行，而太陽又正在這個探索太空奧祕

圓形軌道的中心，那麼中午我們離太陽較近的說法是正確的，因為在那個時候地面的那一些點，由於地球的自轉，正好朝向太陽。對於赤道上的各點來講，這時候與太陽的距離比黃昏時近 6,400 公里（地球半徑的長度）。但是，地球的軌道是橢圓形的，而太陽正位於它的焦點上。因此，地球離太陽有時近有時遠。在上半年地球又逐漸遠離太陽，到了下半年又逐漸接近太陽。因此，對於上面所提出來的問題，答案應該是這樣的：上半年裡我們在中午比傍晚和凌晨離太陽遠些；而下半年，我們

在中午比傍晚和凌晨離太陽近些。至於大小和冷熱的感覺是這

樣的：太陽剛升起來時，掩映在山水樹木房屋等裡面，看起來顯得大。到了中午，太陽在無窮的蒼穹裡，沒有什麼烘托，看起來就覺得小。另外，球形的太空，常常會被看成是扁平的，因此造成了太陽有大小的錯覺，所以單憑人們的眼睛來判斷太陽與地面的距離是不正確的。地球表面包圍著一層大氣，旭日初升，光線是斜穿大氣層到達地面，中午幾乎是直穿大氣層到達地面。斜穿經過大氣層的路程長，被吸收的熱量就多；直穿過大氣層的路程較短，被吸收的熱量就少。並且斜穿的時候，地面單位面積上的照度較小，因而熱量小；直穿時，單位面積上的照度大，因而熱量多。另外，早上太陽剛出來時，地面熱量尚未積蓄，因為頭一天晚上熱量已逐漸消失，而中午熱量積蓄得較多，所以，中午熱而早晚涼。《山海經．海外北經》中記述了這樣一個故事：在大荒山裡住著一個巨人，名叫夸父，他看到每天太陽落山以後，大地便是一片黑暗。當時，還沒有燈火，又長又冷的黑夜對人是多麼不方便啊！當夸父知道大家對太陽有怨氣時，便勇敢地責問太陽：「喂！懶傢伙，你每天要睡多長時間啊！你那麼晚才起來，又那麼早就回去了，你對自己的工作也太不盡責了！」然而，傲慢的太陽對他卻毫不理睬，依然飛快地向西跑去。這可激怒了夸父，他提起木杖不容分說地追上去。

小兒辨日和夸父追日

就這樣，太陽在前面跑，夸父在後面追。夸父一點一點地接近了太陽。但是越接近太陽越感到灼熱，夸父的汗水就像下雨似的往下淌，他乾渴極了，只得急忙到黃河

太陽（圖片來源：https://goo. gl/TFO0xP）

邊去喝水。黃河被他一口氣喝乾了，他還是沒有解渴，又趕到渭水邊去喝水，渭水也被他喝乾了，還是覺得乾渴難耐，便決定趕往北方的大湖去喝個痛快。可是，極度乾渴的夸父，還沒有來得及走到那裡，便在中途渴死了。臨死時，夸父把手中的拐杖扔了出去，拐杖馬上化成了一片樹林，樹上果實累累，為後來追趕太陽的人解渴。從這個神話故事中可以看出，古人很早就認識到太陽東升西落是不可抗拒的自然規律，他們渴望有永久的光明，要是太陽能永遠照耀大地，該多好啊！科學發達以後，人們知道，在地球上看到太陽東升西落，是地球自轉造成的。一個圓球旋轉時，球面上各點的速度是不相等的，球面上離旋轉軸遠的點，速度快；離旋轉軸近的點，速度慢。在赤道地區，地表到地球自轉軸的距離最遠，正好等於地球的半徑 6,378 公里。隨著緯度的增加，地表到自轉軸的距離逐漸縮短。那麼，赤道地區地表上每點的速度有多大呢？赤道周長接近 4 萬公里。計算下來，地球在赤道地區的速度是每秒 464 公尺，是聲音在空氣中傳播速度（331 公尺 / 秒）的 1.4 倍。目探索太空奧祕

前，百米賽跑的世界冠軍每秒才能跑 10 公尺多一點，所以，在赤道上，人靠兩腿奔跑，是無論如何也追不上太陽的。古人說夸父追日不自量力，是有道理的。

地球自轉太陽、行星和衛星都有自轉；許多恆星和恆星系統，如銀河系和外星系至少其中一部分也有自轉。地球 24 小時自 4

轉一圈，也就是 360 度，相當於每小時轉 15 度。

閃爍不定的太陽光

太陽是太陽系的中心天體，是一顆恆星。它與地球的平均距離為 14,959.787 萬公里，直徑為 139 萬公里，是地球的 109 倍，體積是地球的 130 萬倍，質量是地球的 38 萬倍，平均密度 1.4 克 / 公分 3。太陽是一個熾熱的氣體球，表面溫度 5,500°C，越向內部溫度越高，中心溫度是 5×106 °C 。太陽輻射能由氫核聚變成氦核的熱核反應產生巨大的能量，以輻射的方式，由內部轉移到表面，而發射到宇宙空間。肉眼看到的太陽表面層稱為「光球」，光球上面是「色球」，最外層稱為「日冕」，在色球與日冕間還有一個「色球日冕過渡區」，這幾層（區）組成太陽的大氣。太陽也在自轉，其週期在日面赤道約 25 天，兩極區約 35 天。太陽和地球幾乎由同樣的化學元素組成，但比例有差異。太陽上最豐富的元素是氫，其次是氦，還有碳、氮、氧和各種金屬。總體來說，太陽是穩定的，但其大氣層卻處於高度激烈運動中，最明顯的運動是太陽活動區中黑子群的出沒、各類日珥的發生、日冕物質拋射和耀斑的出現等。 1980 年 4 月 4 日，美國一艘名為「太陽極大年」號的太空船，在

閃爍不定的太陽光

離地球 570 多公里的軌道上發現了一個人類科學史上最令人激動不已的現象：發自太陽的能量曾一度突然降低。太

太陽輻射能是地球上各種能量的主要來源（圖片來源：https://goo.gl/zOItAF）

陽光變暗了千分之二，在 4 天內又恢復了正常。但 1 個月以後，太陽的能量輸出再次降低，並持續了 5 天。這一證據確鑿無誤地表明：太陽─我們地球上的生命所賴以生存的恆星竟然像燭光隨風搖曳一樣閃爍不定。從某種意義上說，太陽竟是一顆變星。美國國家大氣研究中心的天體物理學家傑克．埃迪認真研究了英國、中國、斯堪地那維亞各國的有關歷史資料，確信英國格林威治天文台的天文學家 E. 沃爾特．蒙德提出的「蒙德極小期」是確實存在的，從而進一步肯定了太陽是閃爍和變化的。所謂「蒙德極小期」是指從 1645 年到 1715 年的這一時期。據歷史記載，在這個時期裡太陽活動極弱，太陽黑子幾乎完全消失。氣象學家則把這一時期稱為小冰河時期。那時候，嚴冬威逼歐洲，倫敦附近的泰晤士河曾多次冰凍。埃迪還進一步運用碳 -14 測定法，證明了「蒙德極小期」的存在。所謂碳 -14 測定法的原理是這樣的：因為只有在宇宙射線撞擊碳元素的時候，才會產生碳的同位素碳 -14，所以測定樹木年輪中碳 -14 的含量，即可測知該年度裡宇宙射線的多寡。而落在地球上的宇宙射線的多寡又與太陽黑子活動的多寡有關。太陽黑子越多，太陽風越大，這樣就把較多的宇宙射線擠探索太空奧祕

出了太陽系，結果落到地球上的宇宙射線就越少，而在樹木年輪中生成的碳 -14 也就越少。經測定，在「蒙德極小期」中，樹木年輪中的碳 -14 異乎尋常的多，這就證實，在「蒙德極小期」中太陽黑子確實特別少。然而，碳 -14 測定法不僅幫助埃迪證實了太陽「蒙德極小期」的存在，還使他意外發現，在 1400-1510 年間乃至更早些時候也存在著太陽黑子急遽減少的時期。他還據此發現了一個太陽黑子活動極大期，埃迪稱之為「中世紀極大期」。按這種方法和理論推測，我們現在的時代正好處於一個太

陽黑子劇烈活動的極大期裡。這種極大期對太陽來說是很少出

現的，因此可以說是不正常的。我們現在所享受到的正常氣候，對太陽來說都是不正常的。在這種溫暖的氣候條件下，地球上的物產豐富，人口繁衍，現在人口已達到 70 億了。然而，歷史告訴我們，這樣一個溫暖的不正常時期是短暫的，而且會由於太陽活動恢復正常而突然中斷，那時的氣候要比現在冷得多。氣象學家認為，因為地球上的熱量有 98% 來自太陽（其餘來自地熱等），如果太陽的亮度在 10 年之內僅僅變暗 2% 的話，那麼現在地球上冬天降雪的地帶將終年被霜雪覆蓋。太陽能量的這一波動性變化將對人類的未來造成極其深遠的影響。目前，各國科學家都加緊了對太陽問題的研究和觀測。為完成一項長期的觀測計畫，在最近這次太陽極大年中，18 個國家的 60 多個觀測站進行了全球性的聯合觀測活動。

變星變星是亮度常有變化的恆星。銀河系內已發現約三萬顆變星，大致分為三大類型：脈動變星、爆發變星和食變星。前兩類的高度變化是由恆星內部或其大氣的物理狀態變化。引起的，稱為「物理變星」

閃爍不定的太陽光