宇宙大爆炸理论
理论内容
相信很多人看过一部叫《the Big Bang Theory》（生活大爆炸）的美剧，其实，宇宙大爆炸理论的英文名称就叫the Big Bang Theory。
宇宙大爆炸理论是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在宇宙大爆炸之前，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在，而宇宙大爆炸之后不断膨胀，导致温度和密度快速下降。随着宇宙逐渐冷却，温度降低，这些很小的基本粒子逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。宇宙大爆炸并非真的爆炸，而是由于在这一过程中，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。
理论的提出
宇宙大爆炸假说首次由比利时天文学家和宇宙学家勒梅特( Lemaitre, Georges)于1927年提出。1929年，哈勃根据红移现象提出了哈勃定律。什么叫红移呢？当我们静止地听火车呼啸而过时会发现，火车越靠近我们，发出的声音越尖细，这是因为声音波长变短；越远离我们，声音越浑厚，这是因为声音波长变长。这种现象就是多普勒效应。而光和声音一样，也是一种波，同样具有多普勒效应：当遥远的星系远离我们地球所在的银河系而去时，星系发出的光谱就会向长波端（也就是红端）移动，称之为红移。哈勃于是根据红移现象，推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀假说。
之后在1946年，美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。上世纪末，对超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀，因为宇宙可能大部分由暗能量组成。暗能量是驱动宇宙运动的一种能量，它和暗物质都不能辐射、反射或吸收光，所以我们人类无法直接使用现有的技术进行观测。
航天概念
人类飞行活动一般分为三个阶段，即航空、航天和航宇。航空是指在大气层中的活动（如飞机），航天是指飞出地球大气层在太阳系内的活动（如人造卫星），而航宇则是指飞出太阳系到广袤无垠的宇宙中去航行。现在通常讲的航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的空间进行航行活动的总称，又称空间飞行或者宇宙航行。航天活动的目的是探索、开发和利用太空与天体，为人类服务。
轨道基本概念
汽车有汽车的运行轨道（公路），火车有火车的运行轨道（铁轨），航天器也有其运行轨道。只是车的轨道是物理客观存在的，并需要进行建设，但航天器的轨道是没有实物的，类似于飞机的航线。航天器必须按预定的轨道运行才能保证其正确到达目的地。航天器轨道是航天器的运动轨迹，包括发射轨道、运行轨道、返回轨道等。轨道只是一种便于大家理解的形象说法，它是航天器在发射阶段、运动阶段以及返回地球过程中所经过路线的轨迹。
发射轨道
运载火箭从发射台上点火起飞直到将航天器送入预定轨道的飞行轨迹称为发射轨道。运载火箭的发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。
运载火箭首先采用垂直起飞的方式发射（垂直起飞段），当运载火箭飞离发射台一段时间后，火箭开始按预定的程序转弯，对准发射方向飞行（程序转弯段），在接近卫星轨道入轨点时，火箭做最后的水平加速，达到入轨速度后运载火箭与航天器分离，卫星被送入运行轨道（入轨段）。
垂直起飞段和程序转弯段这两个阶段大同小异，但入轨段则根据轨道高度的不同分为三种方式，分别是直接入轨、滑行入轨和过渡转移入轨。低轨道卫星一般采用直接入轨方式，即火箭连续工作，当最后一级火箭发动机关闭时，卫星就可进入预定轨道。中、高轨道卫星一般选择滑行入轨方式。
运行轨道
运行轨道是指从末级火箭推力中止到人造卫星陨落（或返回地面）前，人造地球卫星的运动轨迹。
卫星轨道是椭圆的（我们称它为开普勒椭圆轨道），地球在椭圆的其中一个焦点上。卫星距离地球最近的点叫做近地点，此时卫星的速度最高；卫星距离地球最远的点叫做远地点，此时卫星的速度最低。远地点和近地点都位于椭圆轨道的长轴上。
人造地球卫星轨道按照离地面的高度，可以分为低轨道、中轨道和高轨道三种；按照飞行方向分可以分为顺行轨道（和地球自转方向相同）、逆行轨道（和地球自转方向相反）、赤道轨道（在赤道上方绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北两极上空）四种。
返回轨道
有些航天器，如返回式卫星、航天飞机和载人飞船等，在完成任务后需要返回地球。从脱离运行轨道到降落地面的这一段飞行轨迹就叫航天器的返回轨道。形象一点说，设计返回轨道就好比为航天器的返回铺就一条平安大道，帮助航天器闯过道道鬼门关，安全降落地面。
根据航天器在返回轨道上受到的阻力和升力的情况，其返回轨道可分为半弹道式、滑翔式（升力式）、弹道式三种。
（1）半弹道式返回轨道：航天器在再入大气层的过程中，除了受到阻力，还会部分产生升力。只要适当控制它们的运行姿态，就可以控制升力的方向，从而小范围地改变航天器的飞行路径，适当调整落点的距离，可以使落点更加准确。前苏联的联盟号飞船以及美国的双子星座号飞船都采用了这种返回轨道。
（2）滑翔式（升力式）返回轨道：具有很大机翼的航天器，例如航天飞机，在再入大气层后，机翼会产生很大的升力，因而可以通过调节纵向与横向距离，准确地降落到跑道上。
（3）弹道式返回轨道：航天器在再入大气层后，只受到阻力作用而不产生升力，因此速度很快，落点即无法调整，也无法控制，因此存在较大偏差。美苏两国早期的飞船和我国的返回式卫星都采用这种返回轨道。
地球静止轨道
倾角为零的圆形地球同步轨道被称为地球静止轨道，因为在此轨道上运行的卫星始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面来说是静止的。在地球静止轨道上运行的卫星距离地球赤道地面的高度是35786千米。地球静止轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。许多人造卫星，尤其是通信卫星，多采用地球静止轨道。
太阳同步轨道
太阳同步轨道是指轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，其轨道的倾角（轨道平面和赤道平面的夹角）接近90度，在此轨道上运行的卫星要在两极附近通过，因此又称为近极地太阳同步卫星轨道。
极地轨道
极地轨道平面与赤道平面的夹角为90°。在极轨道上运行的卫星，每一圈内都可以经过任何纬度和南北两极的上空。
行星探测器轨道
行星探测器轨道依受力情况分为三个阶段：绕地心运动阶段、绕日心运动阶段和绕行星质心运动阶段。行星探测器需要沿过渡轨道运行，才能从一个阶段运行到下一个阶段。
万有引力定律
地球上的大部分物体抛到空中后，都会向地面坠落，这是由于这些物体受到地球吸引力的作用。牛顿的万有引力提出，不仅仅是地球，任何两个物体之间都有相互吸引的作用。
牛顿普适的万有引力定律表述为：任意两个质点（质点是指具有质量但不存在体积或形状的点，是一种理想化模型）之间有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与两个质点质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，除此之外，与两物体的化学组成和其间所隔物质的种类无关。
那么，我们为什么无法感受到我们手指与鼠标之间的吸引力，却能感受到地球对我们的吸引力呢？这是因为手指和鼠标的质量太小，因而这种吸引力微不足道，无法为我们所感知。相反，地球和其他天体具有惊人的质量，在考虑天体的受力时，我们不能将天体间的引力忽略。
开普勒运动定律
1609年，约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）在他出版的《新天文学》上发表了关于行星运动的两条定律，1618年，他又发现了第三条行星运动的定律。
开普勒能够发现这些定律，是由于他很幸运地得到了第谷·布拉赫所观察与收集的非常精确的天文资料。根据布拉赫这位丹麦天文学家的行星位置观测资料，开普勒发现行星的运动遵守三条相当简单的定律。
开普勒第一定律，也称椭圆定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳运动，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。
开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。
开普勒第三定律，也称调和定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律可以导出：行星与太阳之间的吸引力与半径的平方成反比，而这正是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。
爱因斯坦相对论
相对论的诞生
1905年5月的一天，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert.Einstein）与朋友贝索讨论相对论这个已探索了十年的问题，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，爱因斯坦又来到贝索家说：谢谢，问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光的速度有一种不可分割的联系，他找到了问题的解。接着，经过几个星期的努力工作，爱因斯坦提出了狭义相对论。之后在《论动体的电动力学》、《关于相对性原理和由此得出的结论》等论文中，他详细阐述了狭义相对论的内容。
1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，提出广义相对论。之后，在长篇论文《广义相对论的基础》中，爱因斯坦提出将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将物理规律只对惯性系成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步描述了广义相对性原理：他认为物理定律必须在无论以哪种方式运动着的参照系中都成立。
有人会问，什么叫惯性系？事实上，在惯性系中，不受力的物体会保持相对静止或匀速直线运动状态，其时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的。而在其他参考系中，则不具备这一特点。显然，牛顿定律只有在惯性系中才成立。
狭义相对论和广义相对论
相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论认为，除非两个物体处于相对静止或相对匀速直线运动的运动状态中，否则这两个物体就不处于绝对统一的时间之中。
例如，钟楼的外墙上挂着一面钟，从它的三根指针全部重合的那一瞬间开始，观察者所乘坐的飞船以光速从钟面出发，垂直于钟面作匀速直线运动，则观察者永远只能看见秒针在摆动的第一秒。这是因为：观察者在做光速直线运动，而秒针摆动这一影像传播的速度也是光速，所以只有第一秒的影像因为出发时间跟观察者相同，观察者能够看到，而第二秒的影像因为比观察者出发的时间迟了一秒钟，所以第二秒的影像无法到达观察者眼中。
而广义相对论认为，万有引力并非是一种作用力，而是因为凡是具有质量的物质或物体所存在的空间与时间都是扭曲、不平坦的，其扭曲的原因就是质量的存在。正因为这种质量所造成的扭曲，使得周围的物体或物质的运动趋势趋向于扭曲时空的中心点方向，所以从表象上面看上去，就像是被某种拉力所牵引而形成。所以，万有引力就是时空被质量所扭曲的一种表现形式，这种表现形式长久以来都给人们留下一种错觉，使得人们误以为万有引力是直接作用在物质或物体上的一种力。
伽利略动力学理论
摆的等时性
1582年前后，18岁的伽利略经过长期的实验观察和数学推算，总结出摆的等时性定律：在相同的地点，用细线悬挂的物体摆动一周所用的时间只与摆的长度有关系，且对于同一个摆，摆动的周期始终不变。
两个小球同时落地
关于物体的落体运动，亚里士多德认为从同一高度落下的两个物体，较重的物体先下落，较轻的物体后下落，这一理论统治了西方科学界千余年。而伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了该理论，确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球将同时落地，下落速度与重量无关。
据说伽利略在比萨斜塔上做轻重不等的两个小球同时落地的实验
重力与加速度的关系
伽利略对运动基本概念，包括速度（用来描述物体运动快慢）、加速度（用来描述物体速度变化的快慢）等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。他在做小球下落的实验中得出球体所受的力和加速度的关系，证明物体只受地球重力时，不论物体质量的大小，它们的加速度都是相同的。这在力学史上是一个里程碑的发现。伽利略提出的重力和加速度的关系，建立了动力学的科学基础。在伽利略之前，只有静力学有定量的描述。牛顿据此将重力推广到所有的力，并根据力和物体质量的关系，建立了牛顿的第二运动定律。
惯性定理
伽利略曾正式地提出过惯性定律，他把它称为惯性原理：“一个沿水平方向运动的物体会沿相同方向和速度继续运动，除非受到外力的干忧。”牛顿后来把伽利略的这个惯性原理称为他的第一运动定律。
伽利略相对性原理
我们知道爱因斯坦曾提出相对论，而伽利略关于相对论基本原理的一些结论则构成爱因斯坦相对论的框架。伽利略认为，在任何作直线恒速运动的系统内（比如一个匀速直线运动的车厢内），物理定律都是相同的，因此没有绝对的运动或静止。这个原理同时也构成了牛顿运动定律的构架。可见，伽利略是牛顿运动定律和爱因斯坦的相对论先驱。
多普勒效应
多普勒效应是指物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。生活中有这样一个有趣的现象：当一辆救护车迎面驶来的时候，听到声音越来越高；而车离去的时候声音越来越低。你可能没有意识到，这个现象和医院使用的彩超同属于一个原理，那就是“多普勒效应”。
航天任务基本要素
航天任务的四个要素：航天器、轨道、运载工具、任务控制系统
牛顿的三大定律
我们都有这样一个经验：当我们用手掌去拍一块松软的橡皮泥时，一方面，橡皮泥因为受到我们手掌的力而变得扁平；另一方面，若用力过大，我们的手掌也会感到疼痛，就像橡皮泥也“拍”了我们一下。橡皮泥自然是不会拍人的，事实上，牛顿第三定律能很好解释这一点。牛顿第三定律认为：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。上面的例子中，两个物体就是手掌和橡皮泥，橡皮泥变扁，是由于手掌对橡皮泥有作用力，而手掌疼痛，是由于橡皮泥被动地对手掌有一个反作用力。
除此之外，牛顿还提出了牛顿第一定律和牛顿第二定律。牛顿第一定律即前面所述的伽利略提出的惯性定理，即任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。
而牛顿第二定律则是描述物体运动状态和物体受力之间的关系。牛顿第二定律认为，物体的加速度（即物体速度改变的快慢），跟物体所受的作用力成正比，跟物体的质量成反比，并且加速度的方向跟作用力的方向相同。牛顿第二定律也是很好理解的，打一个比方，当我们推一个初始时静止的小车时，我们用的力气越大，小车加速越快。
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