B.S về vật lí và B.A về tiếng anh tại Đại học Tổng hợp Stanford năm 1973 và Ph.D về vật lí ở Stanford, năm 1978. Sau khi tốt nghiệp, bà được tuyển vào nhóm du hành vũ trụ. Bà đã bay vào vũ trụ hai lần : lần phóng thứ bảy vào không gian (của nhóm STS- 7, chuyến bay thứ hai của Challenger, phóng vào tháng 6 năm 1983), và lần phóng thứ 13 (của nhóm STS-41G phóng vào tháng mười năm 1984). Năm 1986 bà được bổ nhiệm vào Ủy ban điều tra tai nạn của tàu vũ trụ con thoi Challenger, trực thuộc Tổng thống. Cho đến lúc hoàn thành việc điều tra, bà hoạt động dưới danh nghĩa. Trợ lí đặc biệt của giám đốc của NASA, giúp việc phát triển kế hoạch dài hạn của NASA, về dùng người để thăm dò vũ trụ. Hiện nay, bà là giáo sư vật lí và giám đốc Viện Không Gian của California thuộc trường Đại học Tổng hợp California, San Diego.
Các chuyện kể trên báo chí, mô tả các nhà du hành vũ trụ “thoát khỏi sức kéo của trong lực Trái Đất” đã thúc giục một cô giáo trường cao đẳng trung than phiền
rằng “cuộc bay vào vũ trụ chắc chắn làm cho nó trở thành khó khăn cho người dạy khoa học”. Quan điểm của cô là những thuật ngữ như “g bằng không” đều gây hiểu lầm và nhiều người hiểu nó thành “không có trọng lực”. Đúng ra, tàu vũ trụ con thoi không thoát khỏi xiềng xích của trọng lực. Thực ra, chính trọng lực đã giữ con tàu và mọi vật bên trong, ở trên quỹ đạo quanh Trái Đất. Sự lẫn lộn nảy sinh vì các nhà du hành trong tàu con thoi đều “không có trọng lượng”, họ sẽ nổi lơ lửng trên bất kì cái cân nào gắn vào sàn. Họ không có trọng lượng không phải vì “thoát khỏi trọng lực”
mà vì con tàu và mọi thứ trong nó (kể cả nhà du hành và cái cân) đều đang rơi tự do. Một nhà du hành vũ trụ không thể đứng trên một cái cân trên tàu vũ trụ con thoi, cũng như nhà khoa học trong phạm vi Trái Đất không thể đứng trên cân trong cái buồng thang máy đang rơi (may thay, rất hiếm).
Một tàu vũ trụ trên quỹ đạo “rơi”, theo nghĩa là nó rơi khỏi đường thẳng mà nó lẽ ra phải theo trong không gian giữa các hành tinh, nếu không có lực nào tác dụng vào nó. Nó sẽ không đâm sầm vào Trái Đất, vì nó có một vận tốc nằm ngang đủ để vượt “ra khỏi đường chân trời”. Trong khi nó rơi thì mặt Trái Đất cũng cong ra xa dần nó. Về mặt lí thuyết, có thể đặt một vệ tinh lên một quỹ đạo chỉ cách mặt Trái Đầt vài mét, nhưng năng lượng của nó nhanh chóng bị tiêu hao vì sức cản của không khí (và có lẽ bởi các tòa nhà và đồi, núi nữa). Để ở được trên quỹ đạo lâu hơn là chỉ vài vòng, một tàu vũ trụ cần được cung cấp nhiều năng lượng hơn, để đặt nó lên quỹ đạo ở cao hơn phần lớn khí quyển Trái Đất.
Tàu vũ trụ con thoi được đua lên quỹ đạo nhờ sự đẩy của hai tên lửa dùng nhiên liệu rắn và ba động cơ nhiên liệu lỏng : xem h-1. Tên lửa nhiên liệu rắn cháy trong hai phút đầu, các động cơ phóng, trong 8,5 phút đầu. Thế là đủ hợp thành một lực đẩy hoặc một xung để đặt tàu vũ trụ con thoi vào một quỹ đạo elíp gần Trái Đất (quỹ đạo chính xác thay đổi theo từng chuyến bay). Tới điểm xa nhất (điểm viễn địa) của quỹ đạo ấy cách xa bệ phóng nữa vòng thế giới, những động cơ quỹ đạo nhỏ của con tàu được đốt cháy trong chừng hai phút, để cấp thêm đủ năng lượng, làm cho quỹ đạo thành tròn. Các động cơ quỹ đạo này sẽ tắt khi vận tốc đúng đắn đã đạt được không cần động cơ để giữ con tàu trên quỹ đạo. Trong lực sẽ lo chuyện đó. Trong một quỹ đạo điển hình ở cao 400km trên mặt Trái Đất, tàu vũ trụ có vận tốc 8km/s chỉ mất 90 phút để bay một vòng quanh Trái Đất.
Một khi con tàu và mọi vật chứa trong nó được truyền cho một tốc độ đủ để quay quanh Trái Đất, thì trọng lực không gia tốc các vật về phía “sàn”con tàu ; nó gia tốc cả các vật lẫn sàn. Mọi vật trong tàu đều ở cùng trên một quỹ đạo, mọi vật đều rơi cùng nhau quanh Trái Đất. Chuyện chúng rơi cùng nhau, là hệ quả của nguyên lí tương đương được Galileo chứng minh lần đầu tiên. Ông chứng minh rằng (khi bỏ qua sức cản của không khí), nếu một vật nặng và một vật nhẹ được thả từ cùng một độ cao, thì chúng sẽ va vào sàn cùng một lúc. Điều này đã được kiểm nghiệm nhiều lần, thường là chính xác hơn, nhưng chưa bao giờ gây xúc động hơn cuộc thử nghiệm bởi nhà du hành vũ trụ Dave Scott trên tàu Apollo 15. Anh mang một cái búa và một vật nhẹ bằng lông chim lên bề mặt Mặt Trăng (không có khí quyển, do đó, không có sức cản không khí), đứng ra ngoài xe đi trên Mặt Trăng, giữ chúng cách nhau một độ dài của cánh tay áo vũ trụ, và để chúng rơi. Chúng va vào Mặt Trăng cùng với nhau. Nguyên lí tương đương được chứng minh trong mỗi chuyến bay của tàu con thoi : vì mọi vật trong tàu – nhà du hành, cái bút chì, vệ tinh, cuốn sổ tay, bít tất – đều rơi với cùng một tốc độ, nên chúng không chuyển động đối với nhau. Chúng “nổi” lơ lửng.
Cũng có nhiểu tác dụng sinh lí liên quan với sự không có trọng lượng. Thân thể con người phát triển trên mặt Trái Đất ; nó chịu nhiều thay đổi nếu nó ở trong môi trường mới đó. Có lẽ sự thay đổi dễ thấy nhất là mặt nhà du hành phị ra.Trên Trái Đất trọng lực kéo chất lỏng của cơ thể xuống chân. Trên quỹ đạo, sự phân bố cân bằng của chất lỏng khác đi, và nó có xu hướng kéo về phần trên cơ thể. Một ảnh hưởng lí thú khác là nhà du hành cao thêm chừng một inch khi ở trên quỹ đạo. Vì không có lực kéo xuống tác dụng vào cột sống, nên các đĩa xốp trong cột sống không bị nén lại nữa. Vì các đĩa giãn ra, nên nhà du hành “lớn lên”. Hiệu quả này không vĩnh cửu, và nhà du hành lại co ngắn về chiều cao cũ khi trở về Trái Đất.
Trong môi trường không trọng lượng hệ tim mạch không cần hoạt hoạt động rất căng để bơm máu đi khắp cơ thể. Việc đưa máu từ chân trở về, hoặc đưa lên não dễ dàng hơn và các cơ tim mạch mất tính chất quyết định. Chừng nào mà nhà du hành vũ trụ còn ở trên quỹ đạo, thì cái đó không thành vấn đề, nhưng khi anh ta trở về Trái Đất, hệ thống tim mạch, một lần nữa, lại phải bơm máu chống lại trọng lực, và phải ở trạng thái có thể làm được điều đó. Nếu nhà du hành chỉ ở trên quỹ đạo chừng một tuần, thì đó không phải là một vấn đề lớn, nhưng là một vấn đề quan trọng cần phải được nghiên cứu đối các chuyến bay xa trong một trạm không gian, và cần có một cuộc nghiên cứu lớn lao, trước khi có thể đưa nhà du hành lên sao Hỏa.
Trong trạng thái không trọng lượng, không có “phương ưu tiên”, không có “lộn ngược” hay “lộn xuôi”. Về phương diện sinh lí, không có cách nào phân biệt được trên và dưới. Các phần tử nhạy góp phần vào sự thăng bằng của ta và giúp ta định hướng, đều nằm trong tai trong và đều nhạy cảm đối với trọng lực Trái Đất. Nếu đầu nghiêng đi, thì các cấu trúc giồng như sợi tóc bị uốn cong và gửi tín hiệu về não, cho biết rằng đầu không thẳng. Khi không có trọng lượng, các phần tử nhạy đó không ghi nhận được các sai khác trong sự định hướng và không có cái chỉ thị sinh lí quen thuộc nào khác (chẳng hạn, chất lỏng dồn lên đầu) để cung cấp cho não manh mối về sự định hướng của cơ thể . Nhà du hành có cùng một cảm giác dù hướng hai chân về Trái Đất hay hướng về phía các vì sao.
Sự thích nghi với không gian bên ngoài
Các nhà du hành vũ trụ phải thích nghi với một môi trường không thể bắt chước được trên Trái Đất. Các vật khi không có trọng lượng hình như chịu tác động của một loạt định luật vật lí khác. Thực ra, thì vẫn những định luật vật lí ấy, tuy nhiên, có sự tham gia của các định luật ấy thể hiện kém rõ rệt. Thí dụ, trên Trái Đất các hiệu ứng ma sát làm cho khó nghiên cứu các định luật Newton về chuyển động. Ma sát rất khó loại trừ vì trọng lực. Trong lực giữ cho các vật tiếp xúc với sàn, với bàn, hoặc với đất. Khi trọng lực không giữ cho các vật tiếp xúc với nhau nữa, thì rất dể loại trừ các hiệu ứng ma sát. Trạng thái không trọng lượng là một cải tiến lớn cho cái bàn có đệm không khí. Thật vậy một nhà du hành vũ trụ có thể coi là một bộ phận không tự nguyện của một phòng thí nghiệm sơ đẳng. Các định luật Newton về chuyển động trở nên rất thực…và cái đụng chạm đến một vài thói quen. Các nhà du hành bị đặt đứng yên ở một cabin không có khả năng với được tới sàn, tới trần hoặc bất kì bức vách nào và sẽ ở yên – bị bỏ rơi ở giữa cabin – cho đến lúc một người bạn đến bên để cung cấp một ngoại lực. Một củ lạc ném cho chuyển động sẽ chuyển động cho đến lúc nó va vào tường, vào sàn hoặc miệng một người nào đó. Và một cái vỗ vai mạnh có thể cho một xung đủ để làm cho một nhà du hành bị kéo lê qua phòng.
Con người đã học được cách ứng xử với định luật về tác dụng và phản tác dụng trên Trái Đất, ở đó, họ bị neo chặt vào mặt đất. Bất kì người nào đó, khi kéo để mở một ngăn kéo, cũng tác dụng một cách vô thức, một lực vào sàn. Khi một nhà du hành không bị neo mà kéo một cái ngăn kéo, thì kết quả là đáng thất vọng, nhưng có thể lường trước được xem h-2. Ngăn kéo lại không mở, nhưng nhà du hành lại chuyển động về phía ngăn kéo. Và nếu nhà du hành không bị neo đó dùng một cái mở đinh ốc để tác dụng một moment vào một đinh ốc, thì kết quả là nhà du hành quay, chứ ốc không quay.
Các hiệu ứng của lực căng mặt ngoài là rất hiển nhiên trên Trái Đất : hình dáng của bong bóng xà phòng, giọt nước treo ở đầu vòi nước và các mặt khum ở đầu các cột nước dâng lên trong ống thủy tinh. Lực căng mặt ngoài là kết quả của các lực giữa các phân tử. Các phân tử trong một chất lỏng cảm nhận một lực hút chúng lại với nhau, khiến cho những phân tử ở mặt ngoài chịu một lực tổng hợp nhỏ giữ nó trong chất lỏng. Một cách tương tự, nếu một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn, thì các phân tử trong chất lỏng sẽ cảm nhận một lực hút nhỏ lại gần các phân tử ở mặt chất rắn.
Lực căng mặt ngoài có xu hướng làm cho tỉ số điện tích trên thể tích của một chất lỏng sẽ thành một cực tiểu. Điều này là hiển nhiên, khi không có trọng lượng, lúc đó chất lỏng đúng là co lại thành hình cầu. Trên Trái Đất, cái đó không thể hiện rõ : sữa đổ đọng thành vũng trên sàn ; khi không có trọng lượng, sữa đó không tung toé trên sàn mà làm thành một khối cầu lơ lửng giữa phòng.
Lực còn dư giữa các phân tử ở mặt tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng, có thể làm cho chất lỏng “dính” vào vật rắn.Chính là vì lực căng mặt ngoài mà người ta có thể ăn uống như người bình thường (nghĩa là theo kiểu dưới đất) trong vũ trụ. Các nhà du hành ăn bằng các hộp đã mở và dùng thìa để đưa thức ăn vào miệng. Thực ra, cái mẹo là phải có thức ăn “quánh”. Phần lớn các thức ăn đều được khử nước, và đóng gói trong chân không trong hộp chất dẻo, với nắp bằng chất dẻo mỏng. Nó được pha nước trở lại, bằng cách cắm cái kim của súng phun nước xuyên qua nắp chất dẻo, và phun nước vào. Mọi thức ăn đó (thí dụ : mì ống và pho mát, côc- tay tôm, súp cà chua) ít nhất cũng có phần lỏng, khi chúng đã được pha nước và lực căng mặt ngoài sẽ giữ chúng trong hộp chứa, hoặc trên thìa. Nhà du hành có thể cắt mở một hộp súp, rồi ăn súp đó bằng thìa. Cái khác nhau thuận tiện là nếu thìa nghêng đi (hoặc “rơi”) thì súp vẫn nằm yên trên thìa.
Lực căng mặt ngoài giữ cho thức ăn đã pha nước ở trên thìa, nhưng cũng giúp cho đồ lỏng thoát ra khỏi bình chứa. Nếu dùng một cọng rơm để uống trong cái hộp, thì các phân tử chất lỏng sẽ cảm nhận một lực hút về phía các phân tử cọng rơm, kể cả các phân tử đúng ngay trên bề mặt chất lỏng. Lực hút là vừa đủ, để ở trang thái không trọng lượng, chất lỏng sẽ trườn thong thả qua cọng rơm và tụ tập lại thành một giọt lớn – một khối cầu - ở đầu hở của cọng rơm. Mọi cọng rơm trong tàu vũ trụ đều được cung cấp với một cái kẹp nhỏ để thắt kín lại và giữ cho chất lỏng khỏi trèo ra ngoài.
Trên quỹ đạo, một cột chất lỏng không có trọng lượng : không có áp suất thủy tĩnh, và do đó không có các hiệu ứng nổi và kết lắng : các nút bầu (li-e) không nổi, một cái bọt sẽ không dâng lên trên mặt chất lỏng (nghĩa là các chất khí hòa tan vẫn nằm yên trong các đồ uống có ga, khiến chúng không ngon lắm) và sẽ không có lớp socola nào lắng ở đáy một cốc sữa socola.
Chính nguyên lí này – vật năng chìm xuống và vật nhẹ hơn thì nổi lên – cũng tạo ra sự đối lưu nhiệt. Trên mặt đất, khi nào một phần của một chất lỏng hoặc chất khí bị nóng lên, hay lạnh đi, là có đối lưu. Một cái bọt không khí bị nung nóng thì nở rộng, trở thành nhẹ hơn, và do đó (trên mặt đất) sẽ nổi lên, một cái bọt lạnh, trở nên nặng hơn và rơi xuống. Khi không có trọng lượng, thì không xảy ra đối lưu. Một lần nữa, vì có một cột không khí (chẳng hạn) không có trọng lượng nên không khí nóng không đi lên : khi bị nung nóng, nó giãn nỡ, nhưng ở yên tại chỗ.
Một lí nghiệm lí thú chứng minh (vì những lí do an toàn hiển nhiên, nên chưa được thực hiện) là đốt một que diêm hoặc thắp một ngọn nến trong con tàu vũ trụ trên quỹ đạo. Khi ôxy của không khí bị cháy và bị cạn ở xung quanh ngọn lửa, thì không khí nóng đi lên và không khí lạnh đi đến để thế chỗ cho nó và để cung cấp thêm ôxy cần tiêu thụ. Không có đối lưu, thì ngọn nến sẽ bị tắt rất nhanh.
Thế giới không trọng lượng khác với thế giới mà chúng ta quen thuộc. Một vài hiệu ứng vật lí thông thường thì vắng mặt, trong khi một số khác lại rõ ràng như đập vào mắt. Như bạn có thể tưởng tượng, đây là một môi trường sống không bình thường. Nó cũng là môi trường thí nghệm độc nhất : môi trường cung cấp cho ta cơ hội để thực hiện các thí nghệm cơ bản về vật lí, hóa học và sinh lí học, trong những điều kiện thí nghiệm mới.
Vật Lí và thể thao khí động lực học về vật ném