今天的話題放在這個(gè)時(shí)候講是很應(yīng)景，因?yàn)榻衲晔俏覈谝活w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(xué)家——趙九章先生。他是我所在的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院（當(dāng)時(shí)為 “應(yīng)用地球物理系”）的首任系主任，兩彈一星元?jiǎng)祝彩?“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星的總設(shè)計(jì)師，是中國人造衛(wèi)星事業(yè)的倡導(dǎo)者和奠基人。
前不久我國首次深空探測任務(wù) “天問一號(hào)”成功發(fā)射，標(biāo)志著我國真正邁出了深空和行星探測的第一步。“天問一號(hào)”的 13 個(gè)科學(xué)載荷之一星載磁強(qiáng)計(jì)就是由我們團(tuán)隊(duì)花了將近 5 年時(shí)間研制出來的。
我們的地球
地球是一顆非常普通但又不同尋常的星球。在這顆星球上，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(dòng)。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(hào)”在 1990 年 2 月 14 日拍攝的。那天是情人節(jié)，這種日子大家一定不會(huì)忘記的，“旅行者號(hào)”也不會(huì)忘記。在它要遨游到太空更遠(yuǎn)的地方時(shí)，“旅行者號(hào)”往它的情人——地球，看了最后一眼。如果沒有藍(lán)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(dāng)中，地球真的只是一粒塵埃。
自古以來，偉大的科學(xué)家、哲學(xué)家都會(huì)問這樣一些 “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(dú)？去年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就有一半頒給了環(huán)繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星的發(fā)現(xiàn)者。系外行星發(fā)現(xiàn)為什么這么重要，是因?yàn)樗鼜目茖W(xué)上證實(shí)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(shí)存在于另外一個(gè)恒星系。系外行星發(fā)現(xiàn)之前，所有對(duì)地外文明的想象，其實(shí)都停留在想象中、停留在哲學(xué)層面，系外行星的發(fā)現(xiàn)第一次把它提升到科學(xué)層面。
這個(gè)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(dú)特，它處在太陽系的宜居帶內(nèi)，而同樣處在宜居帶的還有另外兩顆行星，一個(gè)是金星，一個(gè)是火星。但為什么它們兩個(gè)和地球不一樣呢？地球未來會(huì)往哪個(gè)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(yīng)非常嚴(yán)重?；鹦且?yàn)橘|(zhì)量相對(duì)較小，束縛不了那么多大氣，大氣逃逸很快，所以現(xiàn)在非常荒蕪。這些是地球的過去，還是會(huì)成為地球的未來？
站在地球的角度去研究地球的過去、現(xiàn)在和未來，其實(shí)是比較困難的，因?yàn)闃颖竟铝?，而且整個(gè)人類歷史在地球漫長的 46 億年演化歷程中非常渺小。如果把整個(gè)地球的演化當(dāng)做 24 小時(shí)，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?yàn)槭裁磿?huì)演化成現(xiàn)在這種宜居的狀態(tài)？地球未來會(huì)走向什么方向？我們要到深空去尋找答案，因?yàn)槟抢镉懈嗟臉颖究梢怨┪覀冄芯?。下面這張照片是我非常喜歡的，它是我原來的一個(gè)本科生在內(nèi)蒙古正鑲白旗拍攝的。因?yàn)闆]有燈光污染，滿天繁星十分清晰。這滿天繁星也是自古以來多少人向往的地方，它推動(dòng)著天文航天等科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。
太陽系探測歷史
人類的深空探測活動(dòng)有 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，其余為太陽系內(nèi)的其他行星和天體。通過以往大量的探測，人類才能對(duì)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?yàn)榈厍虻哪芰恐饕獊碜蕴?，太陽控制著整個(gè)太陽系的運(yùn)行，包括運(yùn)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，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。所以太陽非常重要，是需要去了解的。
太陽對(duì)人類的影響，深遠(yuǎn)而巨大。如果大家對(duì)天文感興趣，可能都會(huì)知道恒星都有一些所謂的活動(dòng)周期，例如太陽黑子數(shù)每 11 年一個(gè)周期，這些變化就會(huì)影響到整個(gè)太陽系里的空間環(huán)境。
宇宙射線來自遙遠(yuǎn)的宇宙，進(jìn)入太陽系就會(huì)受到太陽活動(dòng)的調(diào)節(jié)，太陽活動(dòng)比較強(qiáng)的時(shí)候，宇宙線輻射就會(huì)比較低，而太陽活動(dòng)比較弱的時(shí)候，宇宙線通量就會(huì)高。
這里通過幾個(gè)例子，大家就能看出，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)，也深刻影響了人類文明進(jìn)程。
對(duì)糧食價(jià)格的影響
2004 年，兩位科學(xué)家在學(xué)術(shù)期刊 Solar Physics 上發(fā)表了一篇論文，統(tǒng)計(jì)了英國倫敦中世紀(jì)小麥的價(jià)格，發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的規(guī)律：小麥每 11 年要漲價(jià)一次，而且漲價(jià)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(gè)非常有意思的結(jié)論——太陽活動(dòng)會(huì)影響市場上小麥的價(jià)格。這是什么原因呢？目前的一個(gè)解釋是，太陽活動(dòng)會(huì)影響行星際環(huán)境，從而影響宇宙線，進(jìn)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，并使價(jià)格出現(xiàn)波動(dòng)。糧食價(jià)格的波動(dòng)不是一件小事，它會(huì)影響到老百姓生活的穩(wěn)定程度。
對(duì)洪水的影響
這個(gè)例子不是特別嚴(yán)謹(jǐn)，但是我覺得非常值得關(guān)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(huì)有一次，或大或小。當(dāng)然這樣的統(tǒng)計(jì)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(zāi)害，公認(rèn)的有這幾次：1931 年、1954 年、1998 年。把它疊在太陽黑子圖上，非常巧合的是它們都在太陽活動(dòng)極小附近。其中有一個(gè)太陽活動(dòng)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(gè)駐馬店大水災(zāi)。。如果把這個(gè)補(bǔ)上，再加上今年，你可以看到，每兩個(gè)太陽周期出現(xiàn)一次全流域的特大洪澇災(zāi)害。這背后表明了一個(gè)什么規(guī)律？地球的生態(tài)系統(tǒng)是不是也受到太陽活動(dòng)的影響？而且不是說太陽活動(dòng)爆發(fā)很厲害會(huì)對(duì)地球有影響，它不爆發(fā)對(duì)地球也有影響。如果說這真的是一個(gè)規(guī)律，下一步的問題就是我們?cè)趺茨軌蚋深A(yù)，什么樣的應(yīng)對(duì)措施能夠減少此類太陽活動(dòng)帶給人類和地球的危害。這是非常值得去探討和進(jìn)行研究的。
對(duì)生命的影響
地球之所以特別，是因?yàn)榈厍蛏嫌猩?。而酶是生命中不可缺少的一種物質(zhì)。下圖右下插圖中，底下一行是幾個(gè)酶的所謂的活化中心，你可以看到它的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)我們?cè)谧匀唤缋锟梢哉业揭恍?duì)應(yīng)的礦物。像氫化酶的活化中心對(duì)應(yīng)的礦物就是鎳鐵礦。結(jié)構(gòu)非常像，但是這里的問題是：這些自然界的礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)畢竟還不是生命物質(zhì)，那它是怎么轉(zhuǎn)化過去的？轉(zhuǎn)化需要能量，而這些能量來自哪里？其中一個(gè)學(xué)說是來自宇宙線，宇宙線不停的轟擊，會(huì)使得這些結(jié)構(gòu)發(fā)生一些變化，從而在早期的時(shí)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(dòng)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(zhì) DNA 還有 RNA，絕大部分都是右手螺旋。為什么會(huì)是右手螺旋也是生命起源里一個(gè)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(shí)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(jìn)化需要變異，所以作用多了容易變異，就容易進(jìn)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?？梢钥吹?，我們現(xiàn)在的這些生命，包括人類的活動(dòng)，其實(shí)在背后都受到了大自然的干預(yù)。
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(shí)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(huì)演化成不一樣，而我們?nèi)祟愡M(jìn)行太陽系探測，核心目標(biāo)是什么？其實(shí)這里有一個(gè)詞——水。我們要找水。
大家有沒有從這個(gè)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(chǔ)，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(duì)我們整個(gè)地球的板塊運(yùn)動(dòng)是一種潤滑劑。在地球過去漫長的歷史當(dāng)中，大陸分分合合。正是這些板塊運(yùn)動(dòng)，使得地球上有著物質(zhì)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(gè)造山運(yùn)動(dòng)或者一個(gè)板塊俯沖，就會(huì)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(gè)宜居的行星之所以宜居，有很多的條件，其中一個(gè)條件就是這個(gè)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(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常重要的機(jī)制。
探測水是一個(gè)非常核心的目標(biāo)。經(jīng)過 60 多年的探索，我們對(duì)太陽系有了長足的認(rèn)識(shí)。一句順口溜概括就是 “類地愛氧，類木愛氫”。把這兩個(gè)結(jié)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(shí)上有液態(tài)水的，目前為止發(fā)現(xiàn)的只有地球?；鹦巧衔覀儼l(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(xué)術(shù)界非常有爭議的一個(gè)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(gè)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(yuǎn)鏡所拍的木衛(wèi)二照片，經(jīng)常能看到有大的噴泉，當(dāng)然這個(gè)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(hào)”去了太陽系的兩個(gè)小行星——灶神星和谷神星，發(fā)現(xiàn)谷神星有 1/4 的質(zhì)量來自水，要比之前的認(rèn)識(shí)多得多。所以可以說在太陽系里確實(shí)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(jì) 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(shí)間剛發(fā)射的，一個(gè)是阿聯(lián)酋的，一個(gè)是美國的，還有一個(gè)是中國的 “天問一號(hào)”。
在過去已經(jīng)到達(dá)火星的 44 次探測當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)極大，成功率只有 52.3%。中國的 “天問一號(hào)”還在路上，目前為止都是很順利的。
在 2020 年 7 月底，美國也進(jìn)行火星探測器的發(fā)射。為什么我們?cè)岩セ鹦?，而且扎堆在一個(gè)時(shí)間段，是因?yàn)槿セ鹦敲?26 個(gè)月有一次機(jī)會(huì)，這是軌道的要求，因?yàn)檫@時(shí)去最省燃料。
很多學(xué)者都認(rèn)為，火星過去是一個(gè)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(gè)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(xué)家提出，火星和地球的一個(gè)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(fēng)，把很多高能粒子擋在外面，降低地球大氣的逃逸?；鹦菦]有內(nèi)稟磁場，那我們能不能用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(xué)家提出改造火星大氣計(jì)劃。在火星和太陽的第一拉格朗日點(diǎn)上放一個(gè)永磁鐵，永磁鐵的強(qiáng)度按照他的估計(jì)可能也不用太大，1 到 2 個(gè) T，也就是 1 萬到 2 萬高斯?，F(xiàn)在按照我們實(shí)驗(yàn)室等離子體物理技術(shù)，瞬時(shí)這么高的磁場是可以產(chǎn)生的，在不遠(yuǎn)的將來，持續(xù)的這么大的磁場也是可以預(yù)見的。在這種情況下，火星本身的大氣逃逸狀態(tài)就會(huì)被改變?？赡苓^個(gè)若干年，或許能慢慢恢復(fù)出火星原有的宜居環(huán)境。這是一個(gè)大膽的設(shè)想。
星際空間
我們?cè)傧乱徽揪褪切请H空間，人類從來沒有停止過探索的腳步。現(xiàn)在在星際空間的飛船只有兩個(gè)，一個(gè)是 “旅行者一號(hào)”，還有一個(gè) “旅行者二號(hào)”。旅行者號(hào)原來是太陽系的行星探測飛船，在 2005 年前后進(jìn)入了星際空間，成為人類第一個(gè)進(jìn)入星際空間、觸摸星際介質(zhì)的飛船?！奥眯姓咛?hào)”當(dāng)時(shí)還攜帶了一個(gè)使命，號(hào)稱是穿梭宇宙的時(shí)空膠囊。也就是說如果由于某種原因，地球乃至整個(gè)太陽系都被毀滅了，宇宙當(dāng)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(hào)”。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(gè)文明撿到，就知道在宇宙當(dāng)中還有這么一個(gè)文明存在。
人類的足跡一直從地球向遠(yuǎn)處擴(kuò)展。從陸地，到占領(lǐng)海洋，然后占領(lǐng)天空，后來也占領(lǐng)了近地空間，下一個(gè)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(gè)藍(lán)色星球，花了 200 多萬年的時(shí)間。從發(fā)明望遠(yuǎn)鏡，仰望星空，到第一次進(jìn)入太空，花了 350 年的時(shí)間。從進(jìn)入到深空，再到進(jìn)入星際空間、觸摸星際介質(zhì)，僅花了 50 年的時(shí)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(yù)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（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院執(zhí)行院長、中科院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“類地行星的形成演化及其宜居性”首席科學(xué)家）
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