我們總是渴望看到美麗的幻景，
我們總是夢見一些未知的世界。
馬克西姆·高爾基
長期以來，天文學的發展一直遭受著嚴重的阻礙，直到近年來才有所突破，究其發展緩慢的原因，則在於天文學自身的獨特性；它是唯一的一門完全沒有實驗的科學。需要研究的材料全都在天上，而我們和我們的儀器則全部在地上。
沒有哪一門科學象天文學這樣受到如此嚴重的限制。當然在物理學和化學中，所有進展都是在實驗室內取得的，那些對既定結論持懷疑者，可以隨心所欲地進行廣泛實驗，將物質或能量進行一系列不同的選擇和處理，以便引出矛盾或其他不同的解釋。研究進化論的生物學家們也存在類似的困難，因為即便是那些極有耐心的人，也無法呆上幾百萬年去觀察一個物種進化為另一個物種。然而，許許多多的包括有關常見的氨基酸排列順序、□的結構、核酸密碼、染色體帶等實驗，以及解剖學、生理學、行為學等方面的實驗，使人們不得不相信進化過程是的確存在的客觀事實，這些實驗還清楚地表明哪一些植物或動物群體（比如人類）跟另外哪一些群體（比如形體高大的猴子）有親緣關係。
的確，地球物理學家在研究地球深部情況時，是無法進入地心和地幔之間的古登堡——維捨特（Wiechert）間斷面的，同樣也不能（起碼目前還不能）進入地幔和地殼之間的莫霍洛維奇契（Mohorovicic）間斷面去進行考察。但是地球表面到處可以發現和觀察到從地層深處噴出來的巖基。地球物理學家主要依靠地震數據進行研究，在這一點上，他們象無文學家一樣，不能強迫大自然俯首聽命地奉送貢品，而不得不耐心等待大自然真心實意的饋贈——例如，有一次在地球的另一端發生了地震事件，震區附近的兩個測震表之一，可能在地震中心波及的範圍內，而另一個則可能不在震中範圍內。但是，急不可耐的地震學家卻能夠引發並且也已經引發過化學物的爆炸或核爆炸，就像敲鐘樣地來震撼地球，最近有一些令人感興趣的跡像是，地震可以引發或避免。當地球物理學家在推理上發生困難，百思而不得其解時，他們總是涉足現場，考查與地震同時發生的陸地侵蝕過程。遺憾的是，天文學家不具備象硬巖地質學家那樣精確的研究條件和對象。
天文學家已被局限於對天體反射和發射出來的電磁輻射的研究上。我們還不能在我們的實驗室中檢驗恆星或行星的碎片，或者飛往這些天體去就地檢測。地面的消極觀察把我們局限在一些範圍狹窄而又零散的有關天體的資料上。我們的處境，比寓言中所說的六個盲人摸象還要糟得多，或許說更像動物園中的一個瞎子。多少世紀以來，我們站在那裡不過是摸到了一隻左後腳。要是我們判斷不出這撫摸物是象牙，或者沒注意到那隻腳根本不屬於大象，則是不足為奇的。假如，碰巧雙星繞軌道飛行的平面進入了我們的視線，我們就能看到象日食、月食這樣的食象，否則就看不到。我們無法在太空中隨意移動位置來觀察食象。如果我們在觀測銀河系時，突然一顆超新星爆炸了，那麼，我們正好可以趁機考查這個超新星的光譜，否則就觀察不到了。我們沒有能力去進行超新星爆炸實驗——同樣，我們也不能在實驗室中考查月球表面的電學、熱學、礦物學和有機化學的性質。我們不得不僅僅憑借食象或月亮光照等這些偶爾發生的天然實驗，根據月亮反射的可見光以及發射的紅外線和無線電波來進行推斷。
但是，所有這些情況都逐漸有了改變。以地面為基地的天文學家對鄰近的天體的研究至少已經具備了一種實驗工具。即射電天文學。我們可以任意地選擇頻率、極化、波段和脈衝長度，我們可以用微波來照射附近的月球或行星，並檢測其反射回來的信號。我們可以將無線電光束從地球照射到所觀察的行星上，然後耐心地觀測行星在光束下的旋轉，隨著行星的旋轉，光束會照亮它表面的其他地方。射電天文學已經提供了大量有關金星和水星自轉週期的新結論，涉及到有關太陽系潮汐演化、金星的隕石坑、月球的斷層表面，火星的高地、以及土星環中諸粒子的大小和組成等一系列問題。射電天文學才剛剛興起。我們仍然被局限於較低的高度，而對太陽系較外層情況來說，射電天文學僅被應用於面對太陽的諸半球。然而，使用最近在波多黎各國家天文學和電離層中心的新更換表面的阿里西博望遠鏡，我們將能夠繪製出分辨率為一公里的金星表面圖——比在地面上進行月面攝影的最佳分辨率還要精確——這樣就獲得了大量有關小行星、木星的「伽利略」衛星和土星環的新信息。我們正在用電磁方法像一只手指似地伸到了太陽系，破天荒地首次在宇宙天體周圍探尋其本質。
一種更為行之有效的實驗天文學（相對於觀測天文學而言的）技術是宇宙飛船探索。我們現在已能夠進入行星的磁層和大氣層去遊覽觀光。我們能夠在這些行星的表面著陸並四處漫遊。我們能夠直接從行星際站收集各種數據資料，從我們踏入太空的最初幾步起，浩瀚的宇宙就已經向我們顯示出許多我們從未知曉但卻早已存在的種種現象：地球的范艾倫（Van Allen）俘獲粒子帶；月球圓形表面黑暗區以下的質量密集；火星表面蜿蜒起伏的河道和巨大的火山；火星的兩個衛星「福博斯」和「德莫斯」的隕石坑表面。但是，令我最為驚異的是，宇宙飛行器出現之前，天文學家就已經幹得很出色了——儘管他們的研究手段殘缺不全，可他們利用已有的觀察作出的解釋卻是相當精彩的。宇宙飛行器對天文學家通過推理所演繹出來的結論提供了檢驗的途徑，同時也為確定對遙遠天體——即使借助宇宙飛行器在近期內也無法達到的那些遙遠天體——所作的天文學推論是否可信提供了一種方法。
在天文學史上最早的一個主要爭端是，究竟是地球還是太陽位於太陽系的中心位置。托勒密和哥白尼用不同的觀點對月球和諸行星的視運動進行了解釋，兩種觀點各執一端，互不相讓。對於確定月球和其他行星在軌道上所處位置這樣一個實際問題，僅根據地面觀測的情況來進行判斷，是很難以充足的理由來決定兩種假說的取捨的。然而，地心說和日心說的哲學含意卻是相當不同的。長期以來，人們想方設法要弄清誰是誰非，在哥白尼的觀點中，金星和水星應該和月亮一樣，經過位相的整個循環。而托勒密的觀點則認為金星和水星的運行不存在位相變化。當伽利略用第一架天文望遠鏡觀測到聖娥眉月形狀的金星時，他意識到他已經用所觀測到的事實有力地證實了哥白尼的關於內行星存在位格變化的假說。
宇宙飛行器還為我們提供了一種更直接的檢驗。根據托勒密的學說，諸行星是被固定在巨大的水晶般球體上的。但是，當「水手2號」或「先鋒10號」宇宙飛船穿過托勒密假想的水晶球境域時，沒有發現阻擋它們運動的障礙物。更直接地說，音響探測器和隕石微粒探測器甚至沒有聽到最細微的沙沙聲，更不用說破碎的水晶石的聲響了。關於這類檢驗，還是有一些能令人滿意的、與實際相符合的東西。在我們中間，大概不會有托勒密體系的信奉者了。但是，可能會有些人對某種修正過的地心假說中金星是否經過位相變化仍保持懷疑。這些人現在可以解開內心的疑團了。
在宇宙飛行器出現以前，德國天體物理學家路德維希·比爾曼（Ludwig Bierman）觀察到在彗星經過近日點時，其彗尾顯著地變長變大，而彗尾上的亮點顯然在加速出現，這一觀察使比爾曼產生了濃厚的興趣。比爾曼指出，太陽輻射的壓力不足以解釋彗星亮度增加的原因，他還提出了一種新奇的見解，認為來自太陽的一種帶電粒子流與彗星相互作用，從而產生了亮度增加的現象。好了，或許有這種可能。但是，我們難道不能說這種現象同樣也可以由於彗核的化學爆炸而產生的嗎？或者是否還有其他的解釋呢？然而，在宇宙飛船「水手2號」首次成功地飛經金星的過程中，確定了太陽風的存在，其速度與電子密度，恰恰在比爾曼所計算的範圍內，這種太陽風必然會加速彗星亮點的出現。
當時，對太陽風的本質有過爭論。有一種觀點是芝加哥大學的尤金·帕克（Eugene Parker）的觀點，認為太陽風的形成是由於來自太陽的流體動力流所引起的；而另一種觀點則認為，是太陽大氣頂部的蒸發導致了太陽風的形成。在流體動力學解釋中，應該不存在質量分級現象；這就是說，太陽風的原子成份應該與太陽的成份相同。然而，在蒸氣假說中，較輕的原子比較容易擺脫太陽的引力向空間逃逸，而重元素在太陽風中則應被首先摔盡。星際宇宙飛船已經發現，太陽風中氫與氦的比率正好與太陽一樣。從而對太陽風起源於流體動力流的假說提供了令人信服的證據。
在所引用的這些有關太陽風物理學的例子中，我們發現，宇宙飛行實驗對有爭議的假說做出嚴格的判斷提供有力的手段。我們只要回顧一下以往的事實，就會發現，有些天文學家象比爾曼和帕克等是正確的，因為他們有正確的理由。但是，還有其他一些同樣智能高強的人，他們不肯輕易相信這些天文學家的觀點，假如不是進行了具有說服力的宇宙飛行實驗，他們或許會繼續持懷疑態度。值得引起注意的不是那些現在證明已錯了的各種假說，而是那種資料數據十分不足的假說，無論誰都很難利用這些資料推導出正確的答案來——從直觀便知，物理學和常識都是不能只憑推理行事的。
在阿波羅探索月球的計劃實施之前，月球表面最上層的月面性質，可以利用月球的自轉週期和月食的過程通過可見光、紅外線及無線電的觀測測定，由月面反射的陽光的偏振強度也已測出。根據這些觀察，康奈爾大學的托馬斯·戈爾德（Thomas Gold）制備了一種黑色粉末，在試驗室中這種粉末非常有效地重現了所觀察到的月面性質。這種「戈爾德粉塵」，甚至不用花很貴的價錢就可以從埃德蒙科學公司購買到，憑肉眼觀察，「阿波羅」宇航員帶回的月球粉塵與戈爾德粉塵幾乎看不出有什麼差別。在粒度分佈和電學與熱學性質方面，它們都很相似。然而，它們的化學成分卻有很大不同。戈爾德粉塵主要是波特蘭水泥、木炭末和頭髮屑。而月球粉塵則幾乎不含有這些外來成分。但是在「阿波羅」月球探索之前，戈爾德通過觀察所測定的月球性質，主要不是依據月面的化學成份。他那時之所以能夠非常出色地推斷出月球表面的部分性質，還應歸功於他1969年以前對月球所進行的觀測。
在蘇聯「金星號」探測器首次到達金星就地觀察金星大氣層以及隨後金星號探測器在其表面著陸之前，我們就已經根據對所獲得的無線電和雷達資料的研究推斷出金星具有很高的表面溫度和表面壓力。同樣，我們也正確地推斷出火星上存在的地勢高度差可達二十公里之多，儘管我們曾錯誤地認為那些暗區是該行星的高地。
或許，在這種天文學推論被宇宙飛船觀測所驗證的實例中，最有趣的要算木星磁層範圍的確定了。1955年肯尼思·富蘭克林（Kenneth Franklin）和伯納德·伯克（BcrnardBurke）在美國首都華盛頓附近試驗一架射電望遠鏡，打算用來繪製頻率為22赫茲的銀河系無線電發射圖。他們注意到在他們的記錄中，週期性地出現一種有規則的干擾，最初，他們以為這是起源於某種常見的無線電噪音——例如，像附近某拖拉機的不完善的發火裝置系統產生的無線電噪音。但是，他們很快發現這種干擾的發生時間，與無線電信號經過木星頭頂的時間完全相符。他們終於發現木星是一種強有力的十米波長無線電發射源。
隨即又發現木星也是分米波長的明顯來源。但是，這種波譜非常奇特。在波長為幾厘米時，發現其溫度很低，約為140度K左右——該溫度相當於按紅外線波長所發現的木星的溫度。但是，當其波長從分米到一米時，——其亮度溫度隨波長的增加而迅速增加，接近100，000度K。這一溫度對熱的散發來說則太高了——一切物體之所以能產生無線電發射，只不過是因為它們的溫度在絕對零度之上。
其後，國家射電天文臺的弗蘭克·德雷克（Frank Drake）於1959年提出，這種光譜意味著木星是一種同步加速發射的來源——即帶電粒子按其運動方向，以接近光速的運行速度發射的一種輻射源。在地球上，同步加速器是在核物理學中使電子和質子的運動速度加速增長的一種非常便捷的裝置，正是在同步加速器中，對這種發射首先進行了一般性研究。同步加速器發射是被極化的，而發自木星的波長為分米的輻射光也是被極化的，這一事實給德雷克的假說增加了一條有利的依據。德雷克推測，水星是被一條巨大的相對論性的帶電粒子帶所環繞，就像當時剛被發現的環繞地球的范艾倫輻射帶一樣。如果事實確是如此的話，分米波長的發射範圍就應該比木星的可見體積大得多。但是普通的射電望遠鏡卻沒有足夠的角度分辨率來辨認木星磁層範圍內所存在的任何空間細節。然而無線電干涉儀則能夠達到如此精密的分辨率。1960年春，也就是德雷克作出上述推測後不久，V·雷德哈克裡斯南（Radhakrishnan）和他在加利福尼亞理工學院的同事們使用了一台由兩付天線組成的干涉儀，天線直徑為九十英尺，均安裝在鐵軌上，兩者相距約為三分之一英里。他們發現木星周圍的分米波長發射範圍，比通常只靠射電望遠鏡所見到的木星星球要大得多，進而證實了德雷克的假設。
接著，他們又用這台分辨率較高的無線電干涉儀測出，木星兩側有兩隻對稱的發射無線電波的「耳朵」，其形狀很像地球的范艾倫輻射帶。這一觀測圖像逐漸引伸出一個結論，即來自太陽風的許多電子和質子，被行星的磁偶極場俘獲並加速，使他們不得不成螺旋形分別沿著行星的磁力線，從一磁極躍向另一磁極。從而表明水星周圍的無線電發射範圍與它的磁層範圍是一致的。磁場越強，磁場邊界就向行星外伸展得越遠。此外，根據同步加速器發射原理，所觀察到的與此相稱的無線電頻譜可以確定木星的磁場強度。可是在二十世紀六十年代末和七十年代初，對木星磁場強度還無法作出很精確的測定，而多數只能根據射電天文學來估算，其數值在5－30高斯之間，大約相當於地球赤道表面磁場的10－60倍。
雷德哈克裡斯南和他的同事們還發現，來自木星的分米波的偏振，隨著該行星的運轉而有規律地變化，木星的這種輻射帶對於視線來說好像是顫動的。他們提出這種現象是由於木星的自轉軸和磁軸之間有一個9度的傾斜角而導致的——這和地球地理上的北極與地磁北極之間的位置偏移沒有多大區別。而後，科羅拉多大學的詹姆斯·沃裡克（James War－wick）和其他天體物理學家們在研究分米和十米波長的發射時，提出木星的磁軸與其自轉軸不過是稍許偏離了一點，這與地球上兩軸相交於地球中心的情況大不相同。詹姆斯·沃裡克等還作出了這樣的結論：即木星的南磁極是在北半球；也就是說如果我們站立在木星球面上，那麼我們手中的指北針所指示的北方恰好是木星南極的方向。簡直想像不出會有比這個結論更離奇古怪的了。地球磁場在其歷史上已顛來倒去地變換過多次方向了，目前，只是從定義上規定地球的北磁極在它的北半球內。根據分米波長和十米波長發射的強度，天文學家還可以計算出在木星的磁層範圍內，其電子和質子的能量和通量值。
這是一系列內容極為豐富的結論，雖說它們顯然都是屬於推理性質的。但是所有這些精心構思的理論體系都是建立在1973年10月3日「先鋒10號」宇宙飛船飛經木星的磁層這一關鍵性實驗的基礎上的。飛船上裝有磁強計，當飛船經過木星碰層的各種不同位置時，裝載的磁強計也就測量了各個不同位置磁場的強度和方向；飛船上還裝有各種帶電粒子探測器，測量所俘獲的電子和質子的能量與通量。令人不勝感慨的是，每一項射電天文學推理，實際上都大致被先鋒10號及其後繼者先鋒11號宇宙飛船所證實。木星的赤道表面磁場約為6高斯，大於兩極的磁場。木星磁軸與自轉軸的傾斜角約為10度。磁軸可以說是明顯偏離木星的中心，偏距約為木星半徑的四分之一。從木星向外遠離其三個半徑的空間位置上，其磁場與偶極磁場相近似；然而在這一空間位置與木星之間的空間磁場情況則比原來所估計的要複雜得多。
先鋒10號沿著它的軌道飛過木星磁層時所捕獲到的帶電粒子通量比所預料的要大得多——但是，並沒有大到阻礙飛船運行的程度。先鋒10號和先鋒11號之所以能順利通過木星的磁層而安然無恙，主要不是因為先鋒號飛行前，天文學家所推斷出來的磁層理論如何如何精確，而是由於運氣好和良好的火箭技術裝備。
總的來說．有關木星分米發射的同步加速器理論已經得到確證。所有那些射電天文學家們頓時領悟到他們過去所做結論的深刻內容以及實際意義。我們現在可以比以往更有把握地相信根據同步加速器物理學所作出的推論，並將其應用到其他更遙遠、更難以接近的宇宙天體上去，比如用到脈衝星、類星體或超新星的殘骸上去。事實上，這些推論現在可以重新加以修正，從而提高其精確性。理論射電天文學已經第一次被納入了至關重要的實驗軌道——它已帶有飛行色彩經受了第一次嚴峻的考驗。在先鋒10號和先鋒11號的許多重大發現中，我認為其最偉大的成就是：它確認了我們對宇宙物理學一個重要分支的理解。
當然，關於木星的磁層和無線電發射有許多東西我們還一無所知。十米波長發射的詳細情況，仍然是一些深不可測的謎。木星上十米波長的發射源為什麼會集中在大概不到一百公里的範圍內？這些十米波長的發射源究竟是什麼？十米波長發射區圍繞著木星運轉，其運轉時間為什麼竟如此精確——精確度超過七位有效數字——但是，這種精確性為何又不同於木星雲中可見形象的自轉週期？為什麼十米波長的脈衝具有一種非常精密的（萬分之一秒）結構？為什麼十米波長的無線電波的發射源是成柬狀定向發射的——也就是說，不是同等地向所有方向發射？為什麼十米波長發射源是間歇性發射——即，並非每時每刻都發射？
所有這些有關木星的十米波長無線電發射的神秘性質，不禁使人聯想起脈衝星的性質。典型的脈衝星磁場比木星磁場大一萬億倍；它們的自轉速度比木星快十萬倍；它們的年齡只是木星年齡的千分之一；而它們的體積則比木星體積大一千多倍。木星磁層邊緣的移動速度還不到脈衝星光錐速度的千分之一。然而，木星可能是一種衰落的脈衝星，是快速旋轉的中子星中的一種原始的很不起眼的模型，而中子星則是星球演化的最終產物。我們對有關脈衝星發射的作用過程和磁層幾何圖形的一些疑難問題的重要見解或許可以根據宇宙飛船對木星上的十米發射作近距離觀察得出——如美國國家航空和宇航局的旅行者號和伽利略號發射正是要作這一觀察的。
實驗天體物理學正在迅猛地向前發展．在今後幾十年內，我們將看到行星際站直接進行的實驗性調查：太陽光照的空隙——受太陽風支配的區域和受星際等離子體支配的區域之間的境域——估計它所處的位置高地球不會超過100天文單位（93億英里）。（可是，假如那兒不過只是一個局部的太陽系類星體和背後黑洞的話——大家明白，我們就好比是些幼稚無知的嬰兒，無論如何也想像不出這樣的結論——然而我們或許可以利用宇宙飛船就地測量，以核對這個現代天文物理學所推測出來的較大天體。）
如果我們憑過去的經驗來進行判斷，那麼將來實驗性宇宙飛船天體物理學的每次探險，都將發現。（1）天體物理學家們的主導學說是完全正確的；（2）對各流派學說，人們開始往往眾說紛紜，各執一詞，直到獲得宇宙飛船飛行結果時，人們的認識才統一到正確的學說上來；（3）宇宙飛行器所獲得的成果將揭示出一連串更加動人心弦的全新事物和基本問題。
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