[科普中國(guó)]-是誰(shuí)把嫦娥四號(hào)送上了月球？

嫦娥四號(hào)于2018年12月8日發(fā)射成功，并于2018年12月12日成功被月球引力捕獲，進(jìn)入繞月軌道。到目前為止嫦娥四號(hào)已經(jīng)繞月球飛行了十多天了，目前正在尋找合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行登月，如果一切順利的話，嫦娥四號(hào)（將）于2019年1月初（目前定為1月3日）進(jìn)行月球登陸，屆時(shí)將會(huì)是人類的探測(cè)器首次著陸造訪月球背面。

月球的正面（左）和背面（右）圖，可以看出，月球背面的隕石坑明顯多于月球正面，因此，月球可以說(shuō)為了地球的安?！鞍ち恕辈簧俚碾E石撞擊。（圖片來(lái)源：https://blogs.voanews.com/science-world/2012/03/16/why-we-never-see-the-far-side-of-the-moon/）

嫦娥四號(hào)是我國(guó)嫦娥工程第二階段的登月探測(cè)器──它是嫦娥三號(hào)的備份衛(wèi)星。雖然剛開始的時(shí)候嫦娥四號(hào)的身份只是一個(gè)“備胎”，但是在嫦娥三號(hào)帶著“玉兔”號(hào)月球車成功著陸到月球上以后，嫦娥四號(hào)就被賦予了新的使命，一下子成了主角——它要實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸和巡視勘察。

嫦娥四號(hào)發(fā)射成功（圖片來(lái)源：http://www.sohu.com/a/280818884_100143896）

**嫦娥四號(hào)發(fā)射成功、繞月成功，甚至是登月成功（1月3號(hào)）的背后，誰(shuí)是最大的功臣呢？**有的同學(xué)可能會(huì)說(shuō)是研制嫦娥四號(hào)的科學(xué)家，有的可能會(huì)說(shuō)是指揮嫦娥四號(hào)的科學(xué)家。這些說(shuō)法其實(shí)都在一定程度上沒有錯(cuò)。但是筆者認(rèn)為，把嫦娥四號(hào)送上月球最大的功臣應(yīng)該是牛頓。上過(guò)物理課的同學(xué)應(yīng)該都知道，牛頓是17-18世紀(jì)一個(gè)偉大的物理學(xué)家，他的主要科學(xué)成就包括牛頓力學(xué)（牛頓三大運(yùn)動(dòng)定理），萬(wàn)有引力定律以及微積分。

艾薩克·牛頓（1643年1月4日—1727年3月31日）爵士，百科全書式的“全才”，著有《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、《光學(xué)》等。（圖片來(lái)源：https://baike.baidu.com）

為什么說(shuō)牛頓是把嫦娥四號(hào)送上月球最大的功臣呢？這里就不得不講講牛頓的萬(wàn)有引力定律了。萬(wàn)有引力定律其實(shí)非常的簡(jiǎn)單，總結(jié)起來(lái)就一句話：**兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)彼此之間相互吸引的作用力，是與它們的質(zhì)量乘積成正比，并與它們之間的距離成平方反比。**用公式表示就是：

F=G*m1m2/r2

（F表示兩個(gè)物體之間的萬(wàn)有引力，G是萬(wàn)有引力常數(shù)，

m1和m2是兩個(gè)物體的質(zhì)量，r是兩個(gè)物體質(zhì)心的距離。）

有了萬(wàn)有引力定律，再結(jié)合牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律，我們就可以計(jì)算出太陽(yáng)，地球以及月球的隨時(shí)間的變化，以及嫦娥四號(hào)該以什么軌道飛向月球，繞月多久之后進(jìn)行登月操作等等。就拿嫦娥四號(hào)的發(fā)射時(shí)間來(lái)說(shuō)吧，嫦娥四號(hào)的發(fā)射時(shí)間是2018年12月8號(hào)，這是因?yàn)橐胱屾隙鹚奶?hào)順利地和月球交會(huì)，就要在特定的時(shí)間把它發(fā)射上去，也就是所謂的發(fā)射窗口。嫦娥四號(hào)的發(fā)射窗口只有12月8號(hào)和9號(hào)兩天的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是通過(guò)萬(wàn)有引力定律和牛頓的運(yùn)動(dòng)定律計(jì)算出來(lái)的。因?yàn)閺呐ｎD的萬(wàn)有引力定律，我們能準(zhǔn)確的得知地球和月球的公轉(zhuǎn)軌道數(shù)據(jù)，從而可以用計(jì)算機(jī)去模擬發(fā)射，選擇最好的發(fā)射時(shí)機(jī)。

嫦娥四號(hào)登月軌道示意圖。這些軌道都是通過(guò)萬(wàn)有引力定律精確計(jì)算出來(lái)的。

（圖片來(lái)源：http://tech.sina.com.cn/d/s/2018-12-07/doc-ihprknvt5165362.shtml）

此次嫦娥四號(hào)上搭載的探測(cè)器登陸月球的另一個(gè)難點(diǎn)就是通訊問(wèn)題。因?yàn)殒隙鹚奶?hào)要登陸月球背面，而月球背面永遠(yuǎn)背對(duì)著地球，因此當(dāng)嫦娥四號(hào)登陸月球后，和地球之間是不能直接通訊的，需要一個(gè)穩(wěn)定的中繼站來(lái)保持和地球之間的通訊。這個(gè)中繼站就是“鵲橋”號(hào)中繼星。“鵲橋”號(hào)中繼星處在地球和月球的一個(gè)拉格朗日點(diǎn)（編號(hào)L2）（拉格朗日點(diǎn)指是在兩個(gè)天體的引力作用下，能夠使小物體穩(wěn)定的點(diǎn)。在該點(diǎn)處，小物體相對(duì)于兩個(gè)天體基本保持靜止），這樣一來(lái)，處在拉格朗日點(diǎn)的“鵲橋”號(hào)中繼星就能保證登陸月球背面的探測(cè)器能實(shí)時(shí)和地球進(jìn)行通訊。這個(gè)拉格朗日點(diǎn)也是通過(guò)萬(wàn)有引力方程而得出來(lái)的。

求解萬(wàn)有引力方程得到的地球和月球的之間的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)?！谤o橋”號(hào)中繼星目前處于L2點(diǎn)，這樣就能保證處于月球背面的探測(cè)器和地球之間的通訊了。（圖片來(lái)源：https://www.ottisoft.com/Activities/Lagrange%20point%20L1.htm）

心細(xì)的同學(xué)可能已經(jīng)有所察覺，這不就是三體問(wèn)題嗎？對(duì)了，這就是一種特殊的三體問(wèn)題，由于月球環(huán)繞地球的公轉(zhuǎn)軌道已經(jīng)確定了，而且人造衛(wèi)星的質(zhì)量又不會(huì)影響它們的軌道，因此這個(gè)三體問(wèn)題是比較容易求解的，它的解就是上圖中的五個(gè)拉格朗日點(diǎn)。劉慈欣的著名科幻小說(shuō)《三體》中的三體文明所在的行星就位于三個(gè)恒星所形成的三體之中，這三個(gè)恒星所形成的三體很復(fù)雜，它們之間的引力互相影響，因此它們的精確軌道很難計(jì)算，這也導(dǎo)致了處在其中的行星軌道的混亂，這也就是處在其中的三體文明的生存環(huán)境十分惡劣的原因。

劉慈欣的《三體》三部曲

（圖片來(lái)源：https://www.zhihu.com/topic/19559995/hot）

當(dāng)然，除了嫦娥四號(hào)以外，人類發(fā)射任何航天器都離不開牛頓的萬(wàn)有引力定律。因?yàn)槭紫任覀冃枰獜娜f(wàn)有引力定律來(lái)計(jì)算航天器的發(fā)射地點(diǎn)，發(fā)射軌道，還有航天器的發(fā)射速度等等。更進(jìn)一步，我們還需要根據(jù)具體的發(fā)射任務(wù)來(lái)計(jì)算發(fā)射航天器所需要的火箭的推力和燃料等等，這些都要用到萬(wàn)有引力定律。

可以說(shuō)沒有萬(wàn)有引力定律，就沒有現(xiàn)代的航天事業(yè)。任何科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都離不開新知識(shí)的創(chuàng)造和普及。知識(shí)的普及程度越高，創(chuàng)造出新知識(shí)，促進(jìn)科技進(jìn)一步發(fā)展的可能性就越大。因此，為了未來(lái)科技的發(fā)展，好好努力學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，爭(zhēng)取有朝一日，創(chuàng)造出新的知識(shí)吧，少年！

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）