中國為什麼要探索太陽系？尋「寶」緩環境重壓|太陽系|地球|天體

　　文章來源：賽先生

　　鄭永春（中國國家天文台）

　　「地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中。人類首先小心翼翼地穿出大氣層，然後將征服整個太陽系。」 ——航天之父齊奧爾科夫斯基

　　引子

　　1970年，非洲國家尚比亞的Mary Jucunda修女寫信給美國國家航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心科學副總監Ernst Stuhlinger，質疑地球上還有這麼多孩子吃不飽飯，為什麼NASA要花費數十億美元去探索火星。Ernst Stuhlinger在回信中答道，太空旅行是一項充滿挑戰的事業，通往火星的航行並不能直接提供食物，解決饑荒問題。然而，它所帶來大量的新技術和新方法可以用在火星項目之外，這將產生數倍於成本的收益。

　　今天的中國面臨著同樣的問題，我們的醫療、教育、住房等民生項目需要大量經費，為什麼還要花錢去探索月球、火星和太陽系？其實，我們用於太陽系探索的經費非常微不足道，即使我們停下探索項目，也無法立即滿足這些民生需求。世界航天強國已經探測了太陽系內的所有天體類型，而我們才剛剛開始探測月球。太陽系探索是全人類共同的事業，這一事業關乎人類未來的命運，關乎我們國家和民族的未來。一個國家的目光看得足夠遠，這個國家才有光明的未來。如果幾十億投資能夠牽引航天技術的跨越式發展，能夠擴充人類的認知疆界，被全人類持久關注和深刻記憶，這無疑是佔世界人口四分之一的中華民族對全人類的貢獻。

　　好奇，遂上下而求索

　　好奇是創新的源泉，探索未知世界是人類的天性。太空探索的本質是鼓勵創新和探索，浩瀚的宇宙，壯麗的星空，讓人類的好奇心得到充分釋放。

　　從空間上講，宇宙無邊無際，即使小到太陽系，其半徑也達10—15萬個天文單位，是一個非常廣闊、非常巨大的空間。從太空中回望地球，我們發現，相比宇宙、太陽系而言，地球只是茫茫宇宙中一個暗淡的藍色圓點，一個非常小的、毫不起眼的地方。

　　從時間上講，宇宙的年齡為137億年，太陽系的年齡為46億年，都經歷了非常古老、極其複雜的演化歷史。相比之下，人類在地球上的歷史只有200萬年，人類文明的歷史只有短短5000年，工業革命至今只有數百年，而人的一生只有短短的幾十年，相對於宇宙和太陽系的歷史而言可謂白駒過隙。

　　人類數千年來只能用肉眼觀察星空，藉助望遠鏡觀測宇宙的歷史只有四百年，利用航天器開展太空探索的時間僅有半個多世紀，人類迄今為止對宇宙的認識仍然非常有限。無論我們多麼努力地探索和求知，面對廣闊而巨大的宇宙，我們始終是那麼的無知。因此，人類探索太陽系的第一個原動力來自探索未知世界和未知領域的衝動，我們渴望了解地球以外的世界，希望探訪太陽系中的各類天體，這一過程顯著推動了基礎科學的進步。

耗資26億美元、迄今最先的好奇號火星車探測任務。

　　探索，促技術之進步

　　探索太陽系使人類的技術能力得到了顯著提升。太陽系探索麵對的是未知的天體目標、特殊的天體環境，從地球出發，要歷經長期飛行，才能實現對這些天體的飛越、環繞、著陸和表面巡視探測，這一過程幾乎逼近人類航天技術能力的極限，一旦實現，將使航天技術得到顯著提升。

　　探索太陽系的起源和演化是人類開展太陽系探測的終極目標，日益增長的科學需求是牽引航天技術跨越式發展的主要動力。太陽系不同類型天體的環境往往與地球環境存在很大差異，需要採用創新性的技術才能適應和克服這些環境。例如，木星以遠的行星探測需要穿越小行星帶，奔赴探測目標需要先從其他行星附近飛越以實現借力飛行；小行星帶以遠的太陽系探測，由於太陽輻射微弱，太陽能電池板已無法滿足需求，必須開發太空核能技術以供應探測器所需的能源，由於距離遙遠又對航天器的軌道設計、測控通信、數據傳輸和能源供應提出了更高的要求；金星表面大氣壓力約為地球的90倍，降的是強腐蝕性的酸雨，登陸探測難度極大，採用浮空氣球是探測金星的可能途徑，但這一技術在行星探測中還沒有任何成功先例；彗星和小行星的直徑一般只有數千米至數十千米，結構鬆散，體積和重量較小，探測器無法被其引力捕獲，如何才能實現對這種「不合作」天體的環繞伴飛和表面附著，又能避免撞擊，這對航天器的控制精度提出了很高的要求。

　　隨著對太陽系天體的了解不斷深入，針對新提出的科學問題，探測任務早已不再局限於拍一些照片，探測需求變得十分多樣化。例如，為了精確測定天體表面的磁場強度，需要將測量磁場的探頭從艙內向外伸出10米以上，以避免金屬製造的航天器艙體對磁場測量產生干擾和屏蔽。而航天器發射時都是緊密包裹在一起的，如何實現太空伸桿又是一個新的命題；由於天體表面的岩石長期暴露在太空中，受到了風化，行星地質學家們非常希望像在地球上進行野外調查那樣，敲開行星表面的石塊，通過放大鏡觀察岩石的新鮮斷面，以研究行星的形成和演化過程，為實現這一功能，需要行星表面探測器的機械臂具備敲擊、研磨、鑽孔和顯微成像的能力。

　　總之，太陽系探測需要優化的軌道設計，新的測控體制、激光通信和數傳技術，小型化的太空核能反應堆，以及多功能、輕小型、長壽命的科學探測設備等，這些探測需求直接推動了航天技術的跨越式發展，牽引人類的知識、能力、技術取得新的進展。因此，太空探索是人類社會文明進步的動力源泉。

　　進入航天時代以來的過去五十多年，人類探索的足跡已經抵達了太陽系內所有的主要天體類型，這一過程顯著地提升了人類的技術能力，特別是航天技術和地外生存的能力，極大地擴充了人類的知識疆界，這些科學和技術成果不斷地修改我們的教科書，鼓舞和吸引著未來年輕一代的探索者。（圖中的每一條細線代表一次太陽系探索任務。圖片來源：美國國家地理圖片來源：美國國家地理）

　　尋「寶」，緩環境之重壓

　　為緩解人類對地球資源和環境的焦慮，我們應該在太陽系中尋找另一個家園。隨著人口數量的增長，石油、天然氣、金屬礦產等地球資源將逐漸枯竭，難以承受我們日益增長的需求。隨著生活水平的提高，人均資源消耗量和污染排放量也快速增加，人類面臨巨大的環境壓力。

　　然而，地球環境的容量是有限的，不會允許我們這麼折騰，一旦突破環境容量的閾值，人類將受到大自然的報復。我們已經看到，由於人口過多，生存的競爭讓許多人變得只顧眼前，我們無暇看看壯麗的星空，無法思考關係人類未來的深遠問題。擠公交、闖紅燈、搶電梯、撈實惠，我們爭先恐後，唯恐慢了半步；面對弱者和不幸，我們沒有及時伸出援手；有的人在公共場所亂塗亂畫，大聲喧嘩，完全不顧及他人感受；有的人在萬米高空大打出手，全然不顧在飛上高空的瞬間航班上的每個人就已成為命運的共同體；我們只看重眼前的物質財富，只看重對我們「有用」的東西，我們對周圍事物的容忍度越來越低。

　　由於星際飛行理論還沒有實質性突破，人類的探索範圍在相當長的時期內將局限在太陽系內。因此，太陽系探索的一個重要目的是在太陽系中尋找人類的第一個家園。雖然我們尚不具備向那裡移居或實現大規模移民的能力，但一定要先找到這樣的行星，了解他們的環境，研究開發利用之道。從長遠看，當未來航天技術高度發達，行星際運輸成本大幅下降的時候，現在的月球、火星、木衛二、土衛六將成為太陽系中人類定居的一個個「島嶼」，而地球是這些島民共同的故鄉。

美國計劃在月球上設立基地，開發利用月球資源。

　　災難，宜未雨綢繆

　　地球和人類面臨的重大天文災難是太陽系探索的主要動力。縱觀地球歷史，人類將面臨超級太陽爆發、小天體撞擊地球、地球磁極倒轉、伽瑪暴和高能射線爆發、超新星爆發、外星生命攻擊等不同類型的重大天文災難。其中，小天體撞擊地球是危險等級最高的天文災難，時刻威脅著地球和人類的可持續發展，需要全世界科學界共同應對。

　　根據太陽系探測的結果，我們在月球、水星、火星、行星的衛星、小行星等天體的表面都發現了密密麻麻的撞擊坑，這正說明地球也曾經遭受過大規模的、頻繁的小天體撞擊。目前全世界已經確認的撞擊坑已經將近200個，未發現和未確認的撞擊坑更多。小天體撞擊曾經導致地球環境的劇烈變化和大規模生物滅絕。例如，6500萬年前有一顆小行星撞擊地球，撞擊地點可能在現在的墨西哥灣。這次撞擊激起的大量塵埃進入地球大氣對流層之上的平流層，擋住了太陽光，導致全球海洋凍結，極地冰蓋擴大，地球表面氣溫驟降，氣候環境發生劇烈變化，大約80%的生物種類滅絕，曾經獨霸地球的恐龍從此消失。

　　離我們較近的小天體撞擊發生在1908年，俄羅斯西伯利亞的通古斯地區遭受了小天體撞擊，引起數千平方公里的森林大火，大量動植物遭受生態災難。

　　1994年，「蘇梅克—列維9號」彗星被木星強大的引力捕獲，整顆彗星被撕裂成21塊碎片，像一列太空列車一般先赴後繼地撞擊木星，在氣液態的木星表面形成了一連串斑塊，每個斑塊的大小甚至相當於整個地球。假如「蘇梅克—列維9號」彗星的碎片撞擊地球，很可能現在人類已經不存在了。

　　最近的例子發生在2013年2月15日，恰逢闔家團圓的中國農曆春節，人們通過電視鏡頭目睹了發生在俄羅斯西西伯利亞的車裡亞賓斯克的小天體撞擊事件。伴隨著一道白光划過天際，幾聲巨響之後，一個小天體穿過大氣層撞擊地表。孩子們上學的教室和工廠廠房被破壞，造成大約1500人受傷和7200座建築物損毀。而後的研究發現，這個小天體只是一個非常小的小行星碎片，進入地球大氣層之前的直徑僅為18米左右。如果是直徑為公里級的小行星撞擊地球，則完全可以摧毀一座城市，引發大規模的自然災難。

　　1994年7月17日4:15至22日8:12的5天內，蘇梅克—列維9號彗星被木星強大的引力撕裂成21塊碎片，前赴後繼地撞向木星，釋放的能量相當於在木星上引爆了20億顆原子彈，在木星上形成的傷疤幾乎可以裝下整個地球。

　　這些小天體撞擊地球的例子並非危言聳聽，而是希望提醒大家，地球和人類社會時刻面臨著這些毀滅性的重大天文災難。為應對小天體撞擊災難，我們首先需要監測這些對地球具有潛在危險的小天體，精確測定他們的軌道，預測和預報小天體撞擊地球的可能性。其次需要開發新一代航天技術，改變這些具有潛在威脅的小天體的運行軌道，規避撞擊地球的風險。在確有把握規避小天體撞擊之前，我們需要發展載人航天和地外生存技術，讓人類的足跡從地球出發，登陸月球和火星，在地球之外開闢另一個生存家園。只有進行充分的準備，在人類面臨滅頂之災的時候，才有能力避免像恐龍那樣成為僅僅出現在地層中的化石，在地球或外星球上延續人類的火種。

小行星撞擊地球是人類未來面臨的最大危險之一。

　　從根本上說，人類未來的命運取決於我們對自然界的理解。開展太陽系探索的主要目的是促進科學探索和技術創新，尋找資源和預防災難，加深對自然界的理解，造福人類社會。因此太陽系探索是全人類共同的事業。

　　從地球出發，月球是離地球最近的一個天體，離我們只有38萬公里，是永不墜落的天然空間站。但月球上沒有大氣層、沒有磁場、沒有氧氣、沒有水、也沒有任何形式的生命。月球是一片荒漠，並非是人類宜居的好地方。然而，把月球作為試驗平台，通過載人月球探測突破技術，積累經驗，是實現載人深空探測和長期地外生存的合理途徑。因此，月球是人類向深空進軍的必經階段和重要中轉站。

　　火星，移民新居所

　　環顧整個太陽系，我們可以發現，火星其實是人類移居的最理想場所，也理所當然地成為世界各國太陽系探測的戰略焦點。目前，火星探測已經從早期的全球普查，逐漸聚焦到對重點地區開展精細探測；從火星找水逐步轉到尋找生命信息。火星上已經發現了大量三角洲、衝擊扇、溝渠等流水侵蝕地貌；一些盆地中的鹽類物質與中國柴達木盆地中的乾涸鹽湖十分相似，說明火星上曾經發育過大型湖泊；2007年發射的鳳凰號著陸器直接探測到了火星土壤中的水蒸氣；這些證據表明火星表層土壤或許就像青藏高原的凍土層一樣，仍然含有水。科學界越來越清晰地認識到，火星是人類面臨重大災難時最有可能移居的避險地。

　　火星上有水已經得到確證，那麼火星是否適合生命生存呢。生命科學的研究發現，生命可以在很多極端環境和極限條件下生存。細菌和孢子可以在非常寒冷、乾燥、隔絕空氣的環境下休眠數百萬年，在環境條件適宜時重新獲得新生。科學家在地球上模擬火星上的輻射、磁場、晝夜溫差等環境條件，結果表明10000個被測試的樣品中有6個食桿菌屬的細菌在30天的試驗後仍然存活，證明微生物可以在火星上長期存活。這一實驗驗證了人類改造火星的一種可能，即把低等微生物作為先鋒生物釋放到火星表面，通過這些作為先鋒隊的低等生物吸收二氧化碳，釋放氧氣，逐步改造火星環境，最終使之適合人類生存。

　　需要特別說明的是，我們目前已知的任何一個地外天體上的環境，對人類而言都是非常嚴酷的。新聞報告中宣稱的宜居星球、第二個地球、超級地球等新潮概念，僅僅是這些星球的某些環境條件與地球相似，整體上仍然與地球環境相差甚遠。因此，地球是人類唯一的家園，也是最好的家園。一旦離開地球，我們可能找不到比地球更好的、適宜人類生存的環境。「保護地球，保護環境。」不是一句空洞的口號，而是人類在透視寰宇，探索整個太陽系之後的客觀現實。迄今為止，只有地球具有最適宜人類和生物生存的環境，如果地球環境被破壞，人類將很難再找到第二個真正的地球。

　　「地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中。人類首先小心翼翼地穿出大氣層，然後將征服整個太陽系。」「人類現在的能力尚且有限，但已經改造了地球表面。幾百萬年後，人類將有能力改造地球表面、海洋和大氣，可以像控制地球一樣控制氣候變化和太陽系。人類將穿越太陽系，到其他恆星去尋找新的能源，替代已經老化的太陽。」——航天之父齊奧爾科夫斯基。

　　人類一直有一個夢想：飛出地球，在太空中找到第二個「地球」—— 一個新的人類家園。新家園探索的第一步是太陽系探索，特別是在目前地球人口快速增長、資源消耗驚人、環境破壞嚴重的情況下，人類更有必要加快太陽系探索的腳步。那麼，什麼是推動太陽系探索的原動力？未來，人類是否可以實現大規模的太空移民？如何才能實現向地外移民的夢想？哪裡是人類的未來家園？

紅色的火星是人類未來希望之所在。
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