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飞行中的科学 大雷达正注视着你呢
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有时，当你的飞机穿行在大机场迷宫一样错综复杂的滑行道上时，它的一举一动都在地面活动目标显示器或地面雷达的监视之中。整个航程中，它会遭遇许许多多的雷达，地面雷达则是头一个，而此时飞机正驶离地面控制区域，驶向控制塔方向和终端管制区，最后进入区域管制区。最后两个区域属于航空交通控制中心，一旦你的飞机起飞了，整个飞行过程都将由这里监视。在大部分机场，你至少能看到一个航空雷达在来回扫射地面。你乘坐的飞机上也有一个雷达系统，安装在机头内，以预警前方的暴风雨。
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尽管早期，人们曾多次试图研制飞机侦察的装置，第一项能于肉眼之外发现飞机的可操作的技术是由英国人在第二次世界大战前夕研发出来的。它最初的名字是“范围和方位检测器”（range and direction finding），不过很快就被更名为“雷达”（radar）了，比起范围和方位检测器这个累赘的名字来说，按照美国称呼“radio detection and ranging”的首字母缩写改成“雷达”就简练多了。传言说雷达是由英国劳斯无线电研究所的科学家发明的。据说，当时美籍克罗地亚发明家尼古拉·泰斯拉（Nikola Tesla）在电磁辐射的基础上设计出了一种能置人于死地的射线，英国的专家们因此接到指令，要求查明该说法是否属实。专家们发现这项试图将无线电改造为一种新型子弹的说法毫不可信，不过若能找到一种适合的无线电波束，就能有效地侦察到敌人的飞机了。
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雷达最初在英国投入使用时，民间流传起这样的说法，多吃胡萝卜能提高视力，尤其是夜间的视力。其实，这是英国空军策划的一次成功的宣传，到处放出消息说空军飞行员正在接受含有大量胡萝卜的饮食以提高其视力，因而能准确地发现入侵的德军轰炸机。其实，一切都归功于雷达，是它帮助飞行员定位打击目标的，而宣传的目的是希望德国人能相信胡萝卜的故事。当时英国的各大报刊上，这样的宣传占据了大量的版面，于是，胡萝卜能提高夜间视力变成了一种广泛流传于民间的说法。
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雷达的原理十分简单。它利用的是某种形态的光，在电磁波频谱上，此光位于收音机、电视机中使用的光波和微波炉中的光波的位置之间。我们在前几节曾提到，当某一物体遭遇可见光时，可见光中的光子从光源中散发出来——如太阳——然后到达该物体。此物体吸收光子，致使其表面电子的能量增加。很快，这些电子的能量就会回落，重新释放出新的光子，其中有一些光子会反射到眼睛中，这样我们就看见了这个物体。
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雷达有着类似的工作原理，只不过，它既是光源——起到太阳的作用，同时也是接收器——类似于眼睛。它释放出成束的光子，然后感应由物体反射回来的光子。由于光子的能量低于可见光（如果我们把光也当成一种波的话，与光的波长相比，雷达波的波长更长，当它向外发射时，就像风吹水面生起的涟漪，向外层层扩展），光子很难描绘出物体的具体特征，通常都只能模糊地显示轮廓，远没有人眼看到的景象那样复杂而详尽。
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飞行中的科学 电磁空间
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为了将你送到目的地，飞行员将使用众多的电磁辐射无线电设备，当然了，雷达只是其中的一种。除了利用可见光来分辨我们的去向，飞行员还广泛地使用无线电，这也是光的一种，它每个光子的能量比雷达还少（波长长于雷达波）。有些无线电是不需要人工操作的。导航灯塔就是这样的全自动的无线电波发射器，它不断地发射出信号，使飞行员明白何时该转向了。虽然，由于GPS（详见下节）的引入，它的作用不像从前那样显著了，但仍不失为一种有价值的导航装置。VOR，即甚高频全向信标（VHF Omnidirectional Radio Range），一架飞机一般会用到两台这样的装置来确认自己的位置。
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机场内有些自动无线电发射装置更加精密，能提供ILS（仪表着陆系统）装置，可以精确定位跑道，提供飞机接近地面时的准确角度。有了ILS提供的信息，外加一些特殊雷达装置，一架装备精良的飞机能在可见度为零的情况下自动降落，无需飞行员手动操作，这样的系统被称为自动着陆系统（autoland）。
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在以无线电为基础的精密导航和着陆系统运用之前，飞行员不得不依赖目视指示器来帮助他们飞回机场。为了能在空中定位跑道准备着陆，飞行员会利用地标，这些地标在空中就能识别。例如，从东面飞入伦敦希思罗机场的航线上就有这样一个标准的地标，它是一个巨型的储气罐。很不幸的是，在同一方位还有另外一个看上去差不多的储气罐，而它指向的则是诺霍特（Northolt）的英国皇家空军（RAF）基地。有一位隶属于美国航空（US Airline）的飞行员曾经驾驶着波音707路过此地，目的地为希思罗机场，结果，他认错了储气罐，最后降落在了诺霍特。这造成了非常巨大的麻烦。起飞时，飞机需要的跑道长度要比降落时的长。而对于一架波音707来说，诺霍特的跑道太短了，无法起飞。
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最后，大家不得不把飞机上能拆的都拆了，从座椅到厨房，这样飞机才得以勉强起飞。当地的传言说，人们在跑道附近办公区的屋顶上发现了轮胎的印记，从印记的形态来看，像是飞机费尽了周折才得以升空。在这次事件之后，为了区分两个储气罐，它们被刷上了不同的记号。就比如那个希思罗储气罐，人们给它刷上了字母LH——如果你坐火车经过伦敦西区的索撤尔（Southall），你依然能看见它。
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在谷歌（Google）里着陆
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如果你现在能上网的话，打开谷歌，你就能模拟利用储气罐找到正确航线的过程。输入网址http://maps.google.co.uk，查找Southbridge Way，Southall。把那个“街景”（Street View）小人（就是那个尺标顶部橘色的小人）放在左手边Southbridge Way的尽头。当这个区域的画面出现后，转身让小人面向西方，你将会看到那个浅蓝色、顶部写着LH的储气罐，这就是希思罗储气罐，而不是诺霍特的那个。
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飞行中的科学 驾驶室中的卫星定位系统
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如今，现代的航空导航装置是建立在无线电基础上的GPS（全球定位系统），也叫做卫星定位系统，这与汽车上的导航系统是一样的。它利用附近的24～30颗卫星来判断地球上任何一个GPS接收器所处的位置，这些卫星分布在地球周围（越来越多的卫星被送上天，让系统更加精确，所以卫星的数量一直在增加）。每颗卫星都携带着一只走时精准的计时器，并且不断地播报时间和卫星轨道的位置。通常，每只接收器需要至少4～6颗这样的卫星，以光速为单位，计算信号从卫星到达接收器所需的时间来确认自己的方位。
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作为爱因斯坦的相对论在现实中的体现，GPS提供了一个鲜活的展示。爱因斯坦提出了两类相对论——狭义相对论（special relativity）和广义相对论（general relativity）。狭义相对论描述的是运动对时间和空间的影响，而广义相对论则论述了加速和重力的意义。在后面的章节里，我们还会仔细地聊聊相对论。不过，想了解相对论对于现实的意义，GPS倒是一个不错的例子。相对论并不是毫无根据的、空谈的理论，它对我们每天都在使用的卫星定位技术有着直接的影响。
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狭义相对论提出，快速走动的钟表会比我们期望的走得慢些，并预测到，和地球上的时钟相比，GPS卫星上的计时器每天差不多晚点700万分之一秒，因为它们每小时行进8600英里（约13840千米）。广义相对论告诉我们，重力也会导致时钟变慢。卫星所承受的重力牵引要比我们在地球表面上的小得多，因此，卫星上的计时器每天将多走4500万分之一秒。总的来说，卫星上的计时器每天将多走3800万分之一秒——它们的确做到了。计时器这样的偏差看起来微不足道，但卫星导航系统正是依靠着极其精准的测量来获得准确定位的。如果没有相对论指导纠正偏差，GPS系统将一无是处，仅仅一天之内，GPS所提供的方位将可能偏差好几公里。
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