汪毓明2020年10月18日新浪科技
出品：新浪科技《科學大家》、墨子沙龍
撰文：汪毓明 中國科學技術大學地球和空間科學學院執(zhí)行院長、中科院比較行星學卓越創(chuàng)新中心主任、中科院B類先導專項“類地行星的形成演化及其宜居性”首席科學家。
今年是我國第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射50周年。這里必須要提到一位非常偉大的科學家——趙九章先生。他是我所在的中國科學技術大學地球和空間科學學院（當時為“應用地球物理系”）的首任系主任，兩彈一星元勛，也是“東方紅一號”衛(wèi)星的總設計師，是中國人造衛(wèi)星事業(yè)的倡導者和奠基人，并且前不久我國首次深空探測任務“天問一號”成功發(fā)射，標志著我國真正的邁出了深空和行星探測的第一步。 “天問一號”的13個科學載荷之一星載磁強計就是由我們團隊花了將近5年時間研制出來的。
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我們的地球
地球是一顆非常普通但又不同尋常的星球。在這個星球上，有高山流水、有花，以及其他各種各樣的植物、各種各樣的生命，還有人類的活動。但是從宇宙角度來看，在浩瀚的宇宙中，它只是一粒塵埃。
這張照片是“旅行者號”在1990年2月14日拍攝的。這是一個情人節(jié)，這種日子大家一定不會忘的，“旅行者號”也不會忘，在它要更遠的遨游太空之時，往它的情人——地球，再看最后一眼。如果說沒有藍色的圓來圈畫，你可能根本找不到地球的位置。在浩瀚的宇宙當中，地球真的只是一粒塵埃。
自古以來，偉大的科學家、哲學家都會問這樣的一些“終極問題”：我們到底從哪里來，又將要到哪里去？我們是否孤獨？去年的諾貝爾物理學獎就有一半頒給了環(huán)繞類太陽恒星的系外行星的發(fā)現(xiàn)。系外行星發(fā)現(xiàn)為什么那么重要，是因為它從科學上證實了，孕育生命的行星在宇宙中并不唯一，不只有地球，不只有太陽系，這種行星確實存在于另外一個恒星系。系外行星發(fā)現(xiàn)之前，所有對地外文明的想象，其實都只是停留在想象當中、停留在哲學層面，系外行星的發(fā)現(xiàn)第一次把它提升到科學層面。
這個話題也成為很多電影的主題，例如《火星救援》、《流浪地球》。地球非常獨特，它處在太陽系的宜居帶，而同樣處在宜居帶的還有另外兩個行星，一個是金星，一個是火星，但為什么它們兩個和地球不一樣呢？地球未來會往哪個方向發(fā)展？金星上面有濃密的大氣，非常炙熱，可以說溫室效應非常嚴重。火星因為質量相對較小，束縛不了那么多大氣，大氣逃逸很快，所以現(xiàn)在非�；氖�。這些是地球的過去，還是會成為地球的未來？
站在地球的角度上研究地球的過去、現(xiàn)在和未來，其實是比較困難的，因為樣本孤立，而且人類整個的歷史在地球漫長的46億年的演化歷程當中是非常的渺小。如果把整個地球的演化當做24小時，人類的歷史不到一分鐘，人類的文明史只有0.1秒。更何況過去的5億年發(fā)生了5次生命大滅絕，所以可以說人類文明史非常微不足道。
地球為什么會演化成現(xiàn)在這種宜居的狀態(tài)？地球未來會走向什么方向？我們要到深空去，去深空來尋找答案，因為那里有更多的樣本可以供我們研究。下面這張照片是我非常喜歡的，它是我原來的一個本科生在內(nèi)蒙古的正鑲白旗拍攝的。因為沒有燈光的污染，滿天繁星十分清晰。這滿天的繁星也是自古以來多少人向往的地方，它推動著天文航天等科學領域的進步。
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太陽系探測歷史
人類的深空探測活動有著60多年的歷史。上圖中，每一圈都代表一次探測。其中人類去得最多的是月球，其次是火星和金星，還有太陽，以及深空當中的其他行星和天體。通過以往大量的探測，人類才能對太陽系以及行星的形成、演化有了非常深刻的了解。
第一站，先帶大家去了解我們的太陽。
為什么要了解太陽？因為地球的能量主要來自太陽，太陽控制整個太陽系的運行，包括運行在其中的行星的空間環(huán)境。作為宿主恒星，太陽以多種形式影響著我們行星，它的電磁輻射環(huán)境，它的粒子輻射環(huán)境，還有它的大氣逃逸水平，以及束縛這些行星軌道的能力。所以太陽非常非常重要，是需要去了解的。
太陽對人類的影響，深遠而巨大。如果大家對天文感興趣，可能都會知道恒星都有一些所謂的活動周，例如太陽黑子數(shù)每11年一個周期，這些變化就會影響到整個太陽系里的空間環(huán)境。
宇宙線來自遙遠的宇宙，進入太陽系就會受到太陽活動的調節(jié)，太陽活動比較強的時候，宇宙線輻射就會比較低，而太陽活動比較弱的時候，宇宙線通量就會高。
這里通過幾個例子，大家就可以看出，太陽絕不僅僅只影響我們周圍的空間環(huán)境，它還深刻影響著地球的生態(tài)系統(tǒng)，也深刻地影響了人類文明的進程。
對糧食價格的影響。2004年，兩位科學家在學術期刊Solar Physics上發(fā)表了一篇論文，統(tǒng)計了英國倫敦中世紀小麥的價格，發(fā)現(xiàn)一個很有意思的規(guī)律：小麥每11年要漲價一次，而且漲價的間隔跟太陽黑子數(shù)的最小期吻合的很好，相位也吻合的很好。這就帶來一個非常有意思的結論——太陽活動會影響市場上小麥的價格。這是什么原因呢？目前的一個解釋是，太陽活動會影響行星際環(huán)境，從而影響宇宙線，從而影響我們地球上云雨天氣等生態(tài)系統(tǒng)，從而影響糧食產(chǎn)量，進而使得價格出現(xiàn)波動。糧食價格的波動不是一件小事，它會影響到老百姓生活的穩(wěn)定程度。
對洪水的影響。這個例子不是特別嚴謹，但是我覺得非常值得關注，所以在這里展示出來以供參考。如果大家去看長江流域或者中國境內(nèi)的大水，兩三年就會有一次，或大或小。當然這樣的統(tǒng)計方式，是找不出任何規(guī)律的。如果查找長江全流域的特大洪水，在最近的100年里，全流域的特大洪澇災害，公認的有這幾次：1931年、1954年、1998年。把它疊在太陽黑子圖上，太巧，都在太陽活動極小附近。其中有一個太陽活動極小在1976年，那年沒有特大洪水。
但之后我特別在1976年前后去查找后，發(fā)現(xiàn)有一個駐馬店大水災，當時有一個水庫垮壩了，這也是世界上最大的一次水庫垮壩慘案，在百度上都能找到。如果把這個補上，再加上今年，你可以看到，每兩個太陽周出現(xiàn)一次全流域的特大洪澇災害。這背后表明了一個什么規(guī)律？地球的生態(tài)系統(tǒng)是不是也受到太陽活動的影響？而且不是說太陽活動爆發(fā)很厲害會對地球有影響，它不爆發(fā)對地球也有影響。如果說這真的是一個規(guī)律，下一步的問題就是我們怎么能夠干預，什么樣的應對措施能夠減少此類太陽活動帶給人類和地球的危害。這是非常值得去探討和進行研究的。
對生命的影響。地球之所以特別，是因為地球上有生命。而酶是生命中不可缺少的一種物質。下圖右下插圖中，底下一行是幾個酶的所謂的活化中心，你可以看到它的結構，這些結構我們在自然界里可以找到一些對應的礦物。像氫化酶的活化中心對應的礦物就是鎳鐵礦。結構非常像，但是這里的問題是：這些自然界的礦物質結構畢竟還不是生命物質，那它是怎么轉化過去的？轉化需要能量，而這些能量來自哪里？其中一個學說是來自宇宙線，宇宙線不停的轟擊，會使得這些結構發(fā)生一些變化，從而在早期的時候形成了支持生命的一些元素。而宇宙線的變化也受到太陽活動的影響。
另外宇宙線還給了生命右手螺旋的DNA。我們身體內(nèi)的遺傳物質DNA還有RNA，絕大部分都是右手螺旋。為什么會是右手螺旋，這也是生命起源里面一個非常有意思的話題。兩周前，我碰巧看到一篇文章，講述為什么DNA是右手螺旋：在早期時候，左手和右手的都有，但是由于宇宙線跟地球大氣作用，產(chǎn)生π子，π子再衰變產(chǎn)生μ子。而這些μ子是有著右手自旋的屬性，而右手自旋的屬性，容易跟右手的DNA作用。我們知道，生命的進化需要變異，所以作用多了容易變異，就容易進化。這也就形成了我們現(xiàn)在這種右手螺旋為主的生命體系。可以看到，我們現(xiàn)在的這些生命，包括人類的活動，其實在背后都受到了大自然的干預。
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下一站：行星、小行星
在太陽系46億年的演化歷程中，演化出了八大行星。地球是其中非常特殊的一顆，但事實上其他行星也都非常特別。以火星和木星之間的小行星帶為界，小行星帶以內(nèi)，我們叫類地行星，小行星帶以外，從木星開始是類木行星。這兩類行星不太一樣。
這些行星為什么會演化成不一樣，而我們?nèi)祟愡M行太陽系探測，核心目標是什么？其實這里有一個詞——水。我們要找水。
家有沒有從這個角度看過地球？這是我們的地球。地球表面70%以上被海洋所覆蓋，水是生命的基礎，而有液態(tài)水的行星，除了地球之外我們還沒發(fā)現(xiàn)其他的。
水還有什么重要的作用呢？它對我們整個地球上板塊運動是一種潤滑劑。在地球過去漫長的歷史當中，大陸分分合合。正是這些板塊運動，使得地球上有著物質和能量的循環(huán)，如大氣循環(huán)、碳氮氧各種元素的循環(huán)，還有生命的循環(huán)。一個造山運動或者一個板塊俯沖，就會把地面上的生物帶到地面底下，然后若干年之后就成為我們現(xiàn)有的能源：煤、石油。一個宜居的行星之所以宜居，有很多的條件，其中一個條件就是這個行星要足夠穩(wěn)定，不能總是火山爆發(fā)、地震，但是也不能死氣沉沉，板塊運動是一個非常重要的機制。
探測水是一個非常核心的目標。經(jīng)過60多年的探索，我們對太陽系有了長足的認識。一句順口溜概括就是“類地愛氧，類木愛氫”。把這兩個結合起來，可以說太陽系從來沒缺過“水”，氫、氧合起來就是水，但事實上有液態(tài)水的，目前為止發(fā)現(xiàn)的只有地球。火星上我們發(fā)現(xiàn)有很多河道一樣的痕跡，但在古代是不是真的存在水，這還是學術界非常有爭議的一個話題。
除了行星，太陽系還有很多的衛(wèi)星，木星是一顆非常大的行星，它自己攜帶了90多顆衛(wèi)星，其中四顆伽利略衛(wèi)星是最主要的，所以木星自成一個體系。木星的衛(wèi)星，我們發(fā)現(xiàn)很有可能存在液態(tài)水。如果我們看哈勃望遠鏡所拍的木衛(wèi)二照片，經(jīng)常能看到有大的噴泉，當然這個噴泉也可能是其他液體，不一定是水。另外小行星探測器“黎明號”去了太陽系的兩個小行星——灶神星和谷神星，發(fā)現(xiàn)谷神星有1/4的質量來自水，要比之前的認識多得多。所以可以說在太陽系里確實并不缺水。
在太陽系的探測里面，最熱的還是火星，可以說水和生命一直是火星探測永恒的主題。從上世紀60年代開始，到目前為止，火星探測總共發(fā)射有44加3次：44次是前面已經(jīng)發(fā)射的，已經(jīng)到了火星那邊，還有3次就是我們過去一段時間剛發(fā)射的，一個是阿聯(lián)酋的，一個是美國的，還有一個是中國的“天問一號”。
在過去已經(jīng)到達火星的44次探測當中，成功的是23次，可以看到，深空探測、行星探測是非常困難的，風險極大，成功率只有52.3%。中國的“天問一號”還在路上，目前為止都是很順利的。
在這個月月底，美國還有火星探測器要發(fā)射。為什么我們扎堆要去火星，而且扎堆在這個月，是因為去火星26個月一次機會，這是軌道的要求，這時去最省燃料。
很多學者都認為，火星過去是一個宜居的星球，那它現(xiàn)在為什么不宜居了呢？可能是由于各種原因使大氣逃逸而變荒蕪了，下一個問題就是，我們有沒有辦法能夠讓火星變回宜居狀態(tài)？就有科學家提出，火星和地球的一個差別就是它沒有內(nèi)稟的磁場。地球有內(nèi)稟磁場，所以能夠屏蔽太陽風，把很多高能粒子擋在外面，降低地球大氣的逃逸。火星沒有內(nèi)稟磁場，那我們能不能人造火星磁層來改造火星的大氣呢？
差不多5年前，一位科學家提出改造火星大氣計劃：在火星和太陽的第一拉格朗日點上放一個永磁鐵，永磁鐵的強度按照他的估計可能也不用太大，1到2個T，也就是1萬到2萬高斯�，F(xiàn)在按照我們實驗室等離子體物理技術，瞬時這么高的磁場是可以產(chǎn)生的，在不遠的將來，持續(xù)的這么大的磁場也是可以預見的。在這種情況下，火星本身的大氣逃逸狀態(tài)就會改變，可能過個若干年，或許能夠慢慢的恢復出火星原有的宜居的環(huán)境。這是一個大膽的設想。
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星際空間
我們再下一站就是星際空間，人類的腳步從來沒有停止過�，F(xiàn)在在星際空間的飛船只有兩個，一個是“旅行者一號”，還有一個“旅行者二號”。旅行者號原來是太陽系的行星探測飛船，在2005年前后進入了星際空間，成為人類第一個進入星際空間、觸摸星際介質的飛船。“旅行者號”當時還攜帶了一個使命，號稱是穿梭宇宙時空的膠囊，也就是說，如果由于某種原因，地球乃至整個太陽系都被毀滅了，宇宙當中還有什么東西能夠證明人類曾經(jīng)存在并如此輝煌過，那就是“旅行者號”。它上面帶了一張金唱片，是由特殊材料制成的，可以保存十億年。如果一不小心被另外一個文明撿到，就知道在宇宙當中還有這么一個文明存在。
人類的足跡一直從地球向遠處擴展。從陸地，到占領海洋，然后占領天空，后來也占領了近地空間，下一個疆域一定是太陽系的深空和行星。人類走出非洲大草原，走向整個藍色星球，花了200多萬年的時間；從發(fā)明望遠鏡，仰望星空，到第一次進入太空，花了350年的時間；從進入到深空，再到進到星際空間、觸摸星際介質，僅花了50年的時間。大家可以看到人類的步伐是越來越快，人類的步伐快到以至于我們無法想象、也無法預期。
注：本文內(nèi)容根據(jù)汪毓明院長于墨子沙龍現(xiàn)場演講編譯整理而來
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中國空間站拒絕美國：這次你們真的不太行 