升空的梦想：气球

第一艘载人升空的飞船的设计源自中国古代技术：孔明灯，一种装有小油灯或蜡烛的飘浮气球。孔明灯的历史可追溯到中国三国时期，最初用于战争，向己方军队发送信号，抑或迷惑对手。如今，它们被称为天灯，在世界各地的节庆活动中出现，比如印度教等庆祝的排灯节和泰国北部的传统节日天灯节。

泰国北部的传统节日天灯节期间，金色的灯笼照亮夜空

最初的孔明灯是用纸或布做成的茧状物，将加热的空气堵在火焰上方。当一种物质受热时，其分子会加速振动（请记住，温度只是这种运动的一个度量）。充满活力、快速运动的空气分子需要更多的空间来摇摆和抖动，因此它们所占据的体积会随着彼此向外移动而扩大，使气球内空腔的密度低于周围空气的密度。灯笼内裹着的热空气在周围密度较高的空气海洋中带着蜡烛上升。灯笼继续上升，一直到周围越来越稀薄的空气达到与整个灯笼本身相同的密度，或者直到蜡烛燃尽。

如果让你回忆最早的航空先驱，你可能会想到莱特兄弟。但是在奥维尔和威尔伯于1903年在北卡罗来纳州基蒂霍克起飞的一个多世纪前，一对法国兄弟就已经用他们的“气动地球仪”（更为人熟知的名字是热气球）开启了人类航空史。这些飞行器所依赖的浮力物理学原理与中国古代的孔明灯相同，但它们使用了一个足够大的吊篮，可以把人悬挂在下面。

“三色”气球上升（1874）

1783年，约瑟夫-米歇尔·蒙戈尔菲耶和雅克-艾蒂安·蒙戈尔菲耶兄弟在法国南部测试了第一个这样的气球。他们还招募了第一批知名的“飞行员”：一只羊、一只鸭和一只公鸡。这个奇特的组合飞行了八分钟，航程两英里，之后安全返回地球，开创了人类飞行的时代。

将近一个世纪后，气象学家、天文学家詹姆斯·格莱舍与气球驾驶专家亨利·考克斯韦尔合作，进行了一次几乎致命的飞行实验。格莱舍决心弄清气球能把人带到多高的高度，以及在飞行途中能学到什么有关大气和气压的知识。在1871年出版的《空中旅行》（Travels in the Air）一书中，格莱舍问道：“空气海洋的波涛，在其无名的海岸内，难道不包含着无数注定要在化学家、气象学家和物理学家手中得到发展的发现吗？”

到了维多利亚时代，实验者们认识到，用气泵打满一种本身比空气轻的气体，气球可以比普通热空气升得更高、更快，而且不用加热。当时，大多数气球制造者使用的是普通煤气这种为厨房炉灶提供动力的东西，因为它含有氢气、甲烷和一氧化碳的低密度混合物。格莱舍和考克斯韦尔利用他们的煤气气球升到了35 000多英尺的高空，然后因在低压空气中缺氧而失去知觉，他们的皮肤也因冻伤而变黑。他们还患上了减压病（decompression sickness），又称“屈肢症”——与潜水员上浮过快时的症状类似。他们这样做是为了科学。虽然他们在实验中濒临死亡，但他们的情况比伊卡洛斯的要好很多，后者实际上死于实验。

根据考克斯韦尔和格莱舍的气压计以及气球上其他仪器所显示的，他们要么到达了平流层，要么非常接近平流层。他们如果能够继续上升，就会在地球大气层的下一层发现有趣的数据。不过，每个浮力气球都有一个高度极限，超过这个高度就不再上升。只要气球及其有效载荷的密度小于周围大气海洋的密度，气球就会上升。不过，当到达密度相等的高度时，气球就会像海面上的浮标一样摇摆不定。

如今，气象学家经常发射气象气球，气球上没有蜡烛、农场动物或人类，而是装有专门用于监测气压、温度和相对湿度的仪器。有了这些气球，我们就能根据每小时的天气预报知道棒球比赛是否会被取消，美国国家航空航天局是否会继续发射火箭，以及出门之前是否应该戴上遮阳帽或耳罩。