拉格朗日点
一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点，在该点处，小物体相对于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于１７７２年推导证明的。１９０６年首次发现运动于木星轨道上的小行星（见脱罗央群小行星）在木星和太阳的作用下处于拉格朗日点上。在每个由两大天体构成的系统中，按推论有５个拉格朗日点，但只有两个是稳定的，即小物体在该点处即使受外界引力的摄扰，仍然有保持在原来位置处的倾向。每个稳定点同两大物体所在的点构成一个等边三角形。要离开地球前往月亮或其他行星，最经济的途径是什么？美国航天航空局的工程师们会告诉你：答案很简单，乘太空地铁。在科幻小说《潘多拉之星》中，彼德·汉密尔顿（PeterHamilton）为人们描绘了一幅乘坐火车到遥远星球旅行的妙曼图画，这样的轨道必须穿越虫洞(wormhole)，这是一种跨越时空的捷径，一旦人类建成虫洞，乘火车游太空就不再是幻想了。科幻作家Ｅ.Ｅ.多克·史密斯（E.E.“Doc”Smith）还写过异度空间对人类不怀好意的外星人，利用超时空管道入侵人类地球的科幻故事。C.C.麦克爱普（C.C.MacApp）也曾想像出一个由管道系统连接起来的星系宇宙，穿过这个管道系统，飞船的航行速度比光速还快。虽然人们并没有建造出虫洞和超时空管道以及星际管道系统，但数学家们发现，太阳系确实存在极为适合于太空旅行的管道系统，与科幻小说家所构思的情景很相似。这些管道是肉眼看不见的，只能用数学的眼光来观察，管道的壁是由太阳系所有星体的复合引力场界定的。管道是真实存在的。如果人们能让不断变化的引力场显现出来，就能亲眼看到这样的管道系统，它们控制着行星、卫星、小行星及彗星运动，沿着各个星球盘旋、扭动，好像是永无休止地跳着引力场之舞。美国国家航空航天局（NASA）的工程师们已经将这些管道系统命名为“星际超级高速路”。这一次，科学幻想又赢了。如果太空力学的先驱们知道星际管道系统的存在，他们也一定会惊叹不已。令人难以置信的是，正是这些先驱们在数百年前的努力，提供了这些管道存在的最初证据。以前，行星被视为漂浮不定、天马行空的星体。恒星则像是被固定在太空球上，每天绕固定轴旋转一次。行星的英文单词planet的希腊文词根planan的原意就是“引入歧途”。相对恒星来说，行星在太空中的位置是不固定的，它们似乎任性而动，或许这就是人们将它们当作天神的原因。约翰尼斯·开普勒(JohannesKepler)和艾萨克·牛顿(IsaacNewton)教导我们，这些表面现象具有欺骗性。实际上，行星并不是那么无拘无束。太阳系看起来像是一个润滑良好的太空时钟，好像有无形的齿轮在推动着行星系统这个大轮子的运动。这些轨道并不是精确的椭圆形，因为每一个天体都影响着其他天体的运动。但其运动都可以归结为万有引力定律：宇宙中的任何物体都与其他物体相互吸引，这个引力与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。太空之舞牛顿引力定律表述起来是如此简单，因此人们很自然地以为，行星和它们卫星的运动也肯定很简单。太阳系的太空之舞被想象成是缓慢而稳定的，严格地受自然定律所控制。事实却不是这样。比如，一个世纪之前，奥托马彗星（Oterma）的运行轨道离开木星轨道很远。然而，在与木星近距离相遇之后，彗星的运行轨道进入到木星轨道之中。奥托马彗星与木星再一次近距离相遇之后，彗星轨道又移出了木星运行轨道之外。人们预测，奥托马彗星会每过几十年就按照上述方式进行一次轨道变换。这看起来与开普勒和牛顿的规则轨道理论相去甚远。牛顿引力理论预测的轨道是规则的椭圆形，这在没有任何其他物体施加明显的引力影响时是成立的。事实上，太阳系充满着其他天体，因而实际情形与规则椭圆形轨道大不相同。管道是“引力地形学”（gravitationaltopography）的一个特征。太阳系就像是地球上的高山地貌：太阳、行星极其卫星的引力场构成了其中的山脉和丘陵。太阳系的引力等高线图与陆地的等高线图具有类似的特征。在靠近太阳的地方，引力场强度达到峰值，排列着紧密的引力线环。而在两个天体引力场抵消的地方，也存在着没有引力等高线的平坦“谷地”。维多利亚时代的铁路工程师曾发现，沿着地形等高线最容易使火车运行。现在数学家们认识到：在太空中，沿着引力等高线，宇宙飞船的飞行效率最高。宇宙飞船的运行轨道不仅受自身速度的影响，也受所处位置的引力场影响。明尼苏达大学的理查德·麦克金西（RichardMcGehee）早在20世纪60年代就指出，每一个等高线路径，均被管道嵌套系统紧紧地包围着，管道一个套一个。每一个管道对应于一个特定的最佳速度。宇宙飞船可以在任何一条管道中航行，如果能够以某一特定速度沿引力等高线航行，就不必消耗任何燃料。如果要改变航行的路线，只要发动引擎，向着正确方向施加很小的动力，就能转换到新的等高线。要改变航向，还可以采取另一种更有效的方法：利用星际超级公路的自然交换。星际超级公路自然交换的存在，最早是由约瑟夫-路易斯·拉格朗日（Joseph-LouisLagrange）在200多年前计算出来的。拉格朗日提出在两个大质量天体的引力共振下，存在五个特殊的稳定点，这些点上两个星体的引力场完全相互抵消。其中三个点L1、L2、L3在两个主天体的联线上，另两个点L4和L5位于以两个主天体的联线为底边在两侧所作的两个等边三角形的顶点处。这五个点被称作“拉格朗日点”。如地球和月亮，L1点位于地球与月亮之间，L2点在月亮的远侧，L3位于地球的远侧。其他成对的星体同样具有拉格朗日点，例如地球与太阳、木星与太阳、土卫六与土星等。下坡运动让我们想像一下，在引力地形图上，地球与月亮体系的L1点附近停着一艘宇宙飞船。只要给予宇宙飞船很小的推力，宇宙飞船就会做下坡运动，沿着一条环绕月亮或者环绕地球的管道运行。人们可以从这些管道中找到从地球到月亮的最节能途径。要进行从地球到月亮的旅行，首先要使宇宙飞船获得一个小的推力，以便离开地球的轨道，进入走向L1点的管道。一旦到达L1点，只要一个极小的推力，就可以使宇宙飞船从L1点进入走向月亮的管道。穿行于太阳系各星球之间的管道系统能够相互联合。例如奥托马彗星的轨道有两条管道，它们在靠近木星的地方联合起来。一条管道位于木星轨道内，另一条位于木星轨道外。在这两条管道相遇的地方，奥托马彗星既可以转换管道，也可以不转换管道，这取决于太阳与木星引力的微妙关系。一旦奥托马彗星进入一条管道，它就一直保持在这条管道内，直至再次返回到管道连接处。由于奥托马彗星自身没有推进力，所以它不能改变运行轨迹，只能保持在木星附近。宇宙飞船和彗星不同，它几乎可以自由行动。要做一个高效的航行，首先就得找到与目的地有关的管道。然后，让宇宙飞船沿着航行计划路线的管道到达拉格朗日点。而后，你快速发动引擎，使宇宙飞船向着另一个拉格朗日点进发……，如此重复，继续前行。其实，这种技术在20世纪80年代就曾让几乎毁灭的美国国际彗星探险者号宇宙飞船重新定向，并使其在太空中与贾可比尼-辛纳彗星（Giacobini-Zinner）相遇。这种方法后来又用于2001年发射的起源号（Genesis）宇宙飞船上。科学家正在利用计算机制作能量景观地形图（topographyoftheenergylandscape）。2000年，美国加州理工学院和NASA喷气推进实验室的科学家们应用管道技术，发现了木星卫星上的“佩替大航行”（PetitGrandTour）,得到环绕欧罗巴（木卫二）的轨道。2005年，德国一些科学家利用管道技术设计了从地球到金星的节能型飞行，他们的低推进力引擎所需要的燃料，仅为欧洲太空署设计的金星快车所耗燃料的1/3。未来的星际航行，管道技术将成为常规的设计。有足够的证据显示，木星与内层的每一颗行星之间都有管道连接，形成自然的管道系统。很明显，管道都从木星中发出，而每一颗行星将自身定位于管道的接收端。管道与木星的连接仅仅依靠木星与太阳的引力场。木星与太阳似乎将所有的这些行星的位置和谐地结合起来。不管怎么说，这些我们肉眼看不到的星际超级高速路所蕴涵的意义是很明显的。木星在太阳系中是一颗硕大的重要行星。现在，这颗太阳系中的第五大行星，又有了新的功用
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