郑永春：未来一百年，人类将走向哪里

 

郑永春 中国科学院国家天文台研究员

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从人类和地球的角度来说，一百年时间不算长，也不算短。在最近的一百年时间里，人类的科技和生活都发生了日新月异的变化。那么在未来的一百年时间里，人类又将走向哪里？

通过观察“星轨”，即星星划过的轨迹，我们能够直接感受到地球的转动。地球的自转周期是24小时。正因有这样倾斜的自转，再加上太阳光交替直射南北半球，我们才有了昼夜和四季。虽然在文学上常说太阳每天新升，但在科学上，我们还是要有一个科学的视角，既以此观察我们自己，也以此观察地球、宇宙。

1977年，“旅行者”1号、2号两艘无人外太阳系空间探测器发射升空。之所以要发射两艘探测器，是因为要确保航天任务的成功，就如同“嫦娥二号”是“嫦娥一号”的备份一样。在“嫦娥一号”顺利完成任务的同时，我们选择让“嫦娥二号”做出更低或更远的飞行。旅行者号也基于此，其发射时机是很特殊的，每隔176年，太阳系里的木星、土星、天王星、海王星（4颗巨行星）才会近似排列在一个扇面上。这一行星连珠的机会，使得我们可以利用一次的探测器发射机会去往数个行星。于是，旅行者号从地球出发，先后利用木星、土星、天王星、海王星实现引力弹弓效应，借力飞行，如同科幻电影《流浪地球》中所呈现的借助木星的引力对地球进行加速。旅行者号就此成功造访了4颗行星，所以说其发射时机是特殊的。上一次这样的时机是在1801年，那时候中国还是清朝、美国才成立不久。你能想象下一次这样的时机来临时的人类世界吗？同样是1977年，几乎是电影史上最成功科幻大片的《星球大战》上映了，掀起了一场全球性的太空热。很多人都为影片中描绘的银河系宏伟场景痴狂，因为在旅行者号造访4颗行星之前，我们看到的太阳系以及木星、天王星的照片还只是模糊、远距离的。

然而，就像旅行者1号之父爱德华·斯通一样，一个足够幸运的科学家一生中只能参加两个半深空探测项目。每一个深空探测项目历经准备、启动、克服技术困难、研制仪器、成功发射、太空飞行、达到并传回数据等诸多环节，总要消耗非常长久的时间和金钱，像“新视野”号冥王星探测器于2006年发射，直到2015年才到达冥王星，一两年后才把数据传回来供科学家研究并发表成果。这还没有完，2019年1月1日，“新视野”号又抵达了柯伊伯带（太阳系的新大陆）中的一颗名叫“天涯海角”的星球。我们借此发现了很多与冥王星大小相似的天体，进而重新定义了太阳系的“八大行星”。在此之上，“新视野”号的核电源还可以供应能源到2030年，也就是说，这一项目自1988年左右酝酿开始，将一直工作到2030年，然而能全程参与这一项目的科学家是很少的。

在对上述现实有了一定的理解之后，我们将一同去回答三个重要的问题——我们为什么要去深空？未来一百年，我们将走向哪里？我们如何走向那里？

一、我们为什么要去深空

1.地球与天文灾难

2013年2月15日早上9时26分，俄罗斯小城车里雅宾斯克的上空，划过了一道亮光，最后在一处冰面上留下一个直径6米的坑，那就是“2·15俄罗斯陨石坠落事件”。这一小行星撞击事件最终导致了1200多人受伤、10亿卢布经济损失。科学家在那个地方捡到小行星的碎片，也就是“车里雅宾斯克陨石”，我们的北京天文馆里就有一块。经过研究，我们发现这颗小行星在进入地球大气层之前的直径只有18米。一颗直径18米、如同公交车大小的小行星，经过大气层的燃烧之后还能造成这样灾害，是因其坠落速度高达每小时20000公里，而一辆公交车的时速只有每小时20公里。我们要知道，能量和速度是平方比，物体释放出来的动能是速度的平方，每小时20000公里的动能就是4亿（焦），所以才有这么巨大的灾害。我们如果经常看各个星球的照片，就会发现像木卫二、木卫三、火星、月亮、土卫九、土卫三、水星等星球上都有密密麻麻的圆形的环形山（陨石坑、撞击坑），其中99%以上都是撞击生成的。月球上直径大于1公里的撞击坑就有33000个，地球在月球的附近，我们也一定“难逃厄运”。

地球上已经得到确认的撞击坑，大部分分布在北美、欧洲、澳大利亚，看上去是科技、经济越发达的地方就越多，但实际上不太可能，因为小行星是从各个方向撞过来的，大气层又基本上是同样厚的，所以各地被撞的机率是一样的。中国境内得到确认的撞击坑相对较少，是因为基础建设的发展、文明古国的经久变迁以及我们在撞击坑研究领域的缺乏。世界上最知名的十大撞击坑，大部分都分布在人迹罕至的地方，也因此而被比较好地保留了下来。其中，在墨西哥湾尤卡坦半岛的巨大撞击坑，生成于6500万年前，其撞击使大量尘埃进入地球的平流层，挡住了太阳光，导致了全球海洋冻结、极地冰盖扩大、地表气温骤降、大约80%的生物物种灭绝。诚然，以人类与恐龙的发展而言，站在人类的立场上，这一次撞击事件并不完全是坏事，即：正是老的物种灭绝了，新的物种才得到了繁荣发展的更大机会。

由此可见，地球上的我们会面对各种各样的天文灾难——超级火山爆发、超级地震、超级海啸、小天体撞击地球、地球磁场倒转、超级太阳爆发……其中，地球磁场倒转就是我们极少关注的灾难之一。我们现在的指南针是指北的，但历史上它曾经确实是指南的，因为地球上的磁极一直在飘移，比如从1800年前后到2000年前后，我们能够发现地球北极点的明显变化。大洋中脊两侧的岩石就像一本“地质”历史书一样，历史上这些新生的岩石就记录了当时的磁场，我们能够从中得知地球的磁场每隔几十万甚至几万年就会倒转一次，而最近已经有70万年没有倒转过了，我们也无从知晓下一次倒转会在什么时候发生。

2.地外生命与文明

宇宙中有没有生命？如果有，“他们”会在哪里？如果“他们”向地球发来信号，我们需要回答吗？我们要怎么回答？宇宙中每一颗恒星的周围都很有可能有行星的存在，那么多行星里面很有可能存在像地球一样的行星，也就很有可能存在像地球上人类一样的生命。“他们”的文明，有可能比我们更先进，也有可能比我们更落后。但是，有一点必须明确，到现在为止我们仍没有发现任何地外生命存在的证据，尽管人类一直在寻找地外生命。为此，我们发射了开普勒太空望远镜，其使命就是寻找类地行星，并且已经发现了3000多颗环绕着其他恒星的行星，其中有100多颗类地行星。然而，这些类地行星离我们非常非常遥远，我们很难判断上面有没有生命。同时，由于恒星发光发热而行星只会反射恒星的光芒，我们观测这些“暗淡的”行星也是十分困难的。

著名天文学家、作家卡尔•萨根在其著作《暗淡蓝点》中使用了一张“旅行者”号拍摄的地球照片——“暗淡蓝点”。结合“旅行者”号拍下的太阳系“全家福”，我们能够看到以整个太阳系为基准，木星、地球、金星、土星、天王星、海王星的实际样貌。

在这张64万像素的照片里，我们的地球只占0.12个像素。这是一张极具哲学意味的照片，“暗淡蓝点”正是我们的地球在宇宙中的真实处境。在我们从“旅行者”号的位置“向后看”太阳系，也只能清楚地看到太阳的情况下，试想，地外文明又能否发现我们的地球呢？

因此，面对着天文灾难与可能的地外文明，我们必须要去深空。

 

二、未来一百年，我们将走向哪里

未来一百年，我们将走向哪里？我们要去火星。

1.中国人走向太空

我们国家的探月工程立项之初就曾深入研究过月球的土壤。月球的土壤，一没有水，二没有氧化作用形成的物质，三有很强的磁性，其尘埃非常细且有非常强的棱角，因其未经风力、水流或生物的“打磨”。这些土壤是小行星砸出来的，就像玻璃被直接砸碎变成细玻璃渣一样。在太阳光的作用下，这些土壤会飘浮起来，侵入宇航服、月球车的关节或相机镜头里面，造成很大的磨损，所以你会看到有些登月的照片特别模糊，就是因为宇航员把镜头擦花了。航天器要去到一个星球上做探测，我们要做的第一件事就是了解当地的环境。1969年，人类历史上第一次登月，航天员在登陆月球之前最担心的事情就是着陆器着陆之后会不会陷入再也出不来了，因为根本不知道土壤到底有多大的承载能力。“嫦娥三号”登陆月球时，月球车从着陆器上下来往前进，走出一段距离后调转镜头，拍下了车轮的痕迹。我们把这个轮子的痕迹进行3D建模，然后就会知道哪个地方陷得深一点、哪个地方陷得浅一点，就可以研究出月球土壤的承载能力、如何更好地设计轮子的宽度、重量。

尽管前几年有过“‘旅行者’号飞出太阳系”的报道，但真相是，“旅行者”号还远远没有飞出太阳系。在人类的历史上，我们可能看不到它飞出太阳系的一天。离太阳最近的恒星是比邻星，比邻星距离我们就有4.22光年。所以说，我们应该清醒地认识到，以人类有限的历史是没办法去到与地球相距以光年为单位的地方的。

迄今为止，世界各国已经开展了200多次的深空探测，我们中国人还只去过4次、只去了离我们最近的月球。探月工程总共分为三步——绕（绕月）、落（落月）、回（回来），每步都是两个航天器——一号、二号是绕，三号、四号是落，五号、六号是回。其中，一号出于安全考虑会绕得高一点，二号则相对会飞低一点；三号出于困难程度会落在正面，四号则会落到背面；五号是将正面的采样送回，六号则可能去到月球的南极等地方。所以，随着技术的不断进步，我们对月球的认识也是不断进步的。探月之后的下一步是什么？登月。登月也是三个阶段——探（探月）、登（登月）、驻（驻月），驻月也就是建立月球基地的阶段。

在目前人类的太空探秘中，我们去的最多的就是月球，有110多次；去到火星和金星的次数为40多次；还有一些航天器则去往了木星、土星和一些小行星、彗星；能造访天王星和海王星的只有“旅行者”号。至于去往水星、太阳需要什么样的特殊条件，则是我们未来需要研究的课题。

2.探索类地行星

在太阳系中，地球运行轨迹所在的这一带区域被称为宜居带，也就是说，只有在宜居带中运行的行星才是适合生命生存的。这一条宜居带有多宽，是一个我们未来需要研究的问题。至于像比邻星这样可能存在类地行星的地方，我们用已知最快的航天器也需要14000年才可能到达，而14000年对于人类来说是难以承受的，虫洞、高维空间、时空穿越等的可能性还只存在于理论甚至科幻的层面。对于飞出太阳系，我们必须要有新的理论、新的实际应用。霍金曾经提出了将电能转化为激光，进而推动一个纳米级的航天器飞行的可能，但倾尽地球上全部的电能，其可能达到的速度也只有光速的1/5，还需要20年才能到达比邻星的周围，至于超越光速则更是无稽之谈了。

所以，我们目前应该把目光放到太阳系以内，八大行星以及众多卫星之中，是否有适合人类生存的类地星球。

3.探秘火星

常年观察火星照片的科学家卢金德拉·欧嘉，就发现了火星每年的变化，这说明它是一颗活的行星。他在一个火星的斜坡上发现了奇怪的暗色条纹，条纹长几百米，在冬天会消失、在夏天会出现，这有可能就是水结冰与融化的表现。但是我们知道，火星上的温度相当于地球上的南极，冰为什么会融化？在光谱仪的观测下，他发现那些条纹的成分中包含一种叫高氯酸盐的物质，于是利用高氯酸盐做了一个实验，发现火星上的水在10℃就会沸腾。这说明，火星上的大气比较稀薄，火星上的水在包含高氯酸盐的情况下到-70℃都不会结冰，我们称之为“卤水”。

也许我们会认为火星也很遥远，但目前已经有很多航天器达到过火星。在网络上，我们也能获取火星探测器发回来的数据、照片、图像甚至是声音。于是我们知道了，火星的直径是地球的1/2、重量是1/11、重力是1/3，表面平均温度是-55℃，并且有水与风；地球在里圈公转而火星在外圈公转，地球公转一圈是365天，火星公转一圈是687天，也就是说“地球年”和“火星年”的长度是不同的；火星上的大气层非常稀薄，大气压只有地球的0.6%；冬季时，火星极地冰盖会扩大，而到春季时会缩小；整个火星弥漫着沙尘暴，这就需要我们具备探测器维护的相关技术；火星上最高的山叫奥林匹斯山，其高度是珠穆朗玛峰的三倍；火星距离地球最近的时候是5500万公里、最远的时候是4亿公里，所以我们要想去到火星需要一个合适的时机，也就是所谓的发射窗口。因此，我们要着陆火星就必须沿着一条独特的轨道——霍曼转移轨道，从而以最快的途径到达火星。火星探测器的发射窗口每隔26个月才出现一次，其中2020年就有一次（中国第一个火星探测器“天问一号”已于2020年7月23日发射升空并成功进入预定轨道）。在电影《火星救援》中，主人公马克就因为与团队失联，孤身一人在火星等待救援。因为发射窗口的存在，这一等就是2年时间。

火星上的大气层之所以非常稀薄，是因为火星磁场的消失。我们可以通过地球磁场来理解——地球的大气之所以不会被太阳风吹走，是因为磁场的屏蔽作用。太阳风是带电的，磁场则会屏蔽电荷，把太阳风往两极“屏蔽”。到了极地上空，太阳风的粒子会沿着磁力线钻进来，这时你就会看到极光了。

火星是太阳系中与地球最为相似的星球，也是目前唯一一个有可能实现人类大规模移居的星球。1996年，美国航天局的科学家宣布从“ALH84001”（一颗火星陨石）中找到了早期火星生命存在的证据，引起了人们的极大兴趣。但此后，科学界指出，这一发现可能不是微生物，而是矿物结晶的痕迹。

卡尔·萨根说过一句话，“火星是火星人的火星，即使他们是微生物。”由此，行星保护原则被提出，即：我们地球人发射到其他星球上的航天器都需要彻底、全面的消毒，确保不会把地球上的生物带到那些星球上。这一原则的提出，对我们的航天仪器设计与相关技术发展产生了一定的限制。

 

三、我们如何走向火星

1.人类开始探测火星

太阳系中与地球最相似的行星是火星，人类最有可能去到的也是火星。要从我们的地球到达火星，最快要6个月，最慢则要10个月。刚刚抵达火星时，航天器的速度约为每小时2.1万公里。这么快的航天器是需要进行刹车操作的，从轨道上空到火星表面只有130公里的高度，所以刹车的时间也只有短短的7分钟，这就对航天器造成了巨大的冲击。我们称这一阶段为“黑色七分钟”，因为大多数航天器基本上都是在这一阶段失败的，例如苏联的“火星二号”“火星六号”等，全球火星探测的成功率只有50%左右。在2020年发射窗口以前，全球很多国家发射过火星探测器，只有美国成功登陆。降落伞打开慢了、火星大气层过于稀薄……各种原因很容易就会导致航天器刹不住车。与全球已经发射过的40多个火星探测器相比，我们2020年发射的火星探测器具有什么样的特点？我们要做到绕、落、巡三个任务一次完成。到2021年，也就是中国共产党建党一百周年的时候，我们中国的火星车将会在火星这颗红色行星上行驶。

2.未来火星上的人类活动与商业开发

通过电影《火星救援》，我们知道在火星上可以种土豆，这是因为火星土壤的磷元素含量比较高。但由于火星上温度的明显差异，常规的恒温动物养殖目前是不太现实的。至于水资源，火星的整个北半球曾经是一大片海洋，我们在那里发现了很多海岸线以及海底的痕迹，并且在观察“凤凰号”着陆器时发现了露珠，这也证明了火星的空气中是有水的。我们知道，火星上是有空气的，主要是二氧化碳以及氮气、氩气、一氧化碳，其中氧气是非常少的。对此，科学家提出了分解二氧化碳获取“人造”氧气的办法，甚至于人造树叶再通过光合作用获取氧气也不是完全不可能的。

由此出发，我们能想到，除了生产氧气的工厂，火星基地还可能需要提供电力小型核反应堆，维修保障车间，带有餐厅、厕所和卧室的居住场所，种植食物的生态农场，健身、娱乐和医疗室，往返地球的发射基地和着陆场以及学校、法院、银行、邮局、电话局等。可见，由于火箭、太空舱等航天器的限制，我们所能建成的可能是一个只有100人的小小的火星基地，到那时我们更需要各种各样综合性人才。

就像埃隆·马斯克提出的火星移民计划一样，我们相信，在未来20年里，人类将能够首次登陆火星。在这一基础上，我们也可以预见未来火星的商业开发，比如火星地表的土地将会随着着陆场的建设、火星独特资源的开发而极富商业价值；火星旅行将随着商业航天火箭的发射与回收、再利用而成为可能，并随着运输成本的下降为更多人所接受；充气式太空舱将被打造成为新的“太空旅馆”，甚至组成新的月球城市、火星城市……

所以说，人类未来20年的火星登陆、未来100年的火星移民，甚至将月球、火星改造成宜居星球，实现跨星球的文明，就如同我们500年前发现新大陆、400年前通过望远镜重新认识太空一样，终将成为现实。

3.“旅行者”号的神圣远行

关于人类对太空的探索，我们必须要说到“旅行者”号。她在太空中已经飞行了40多年，飞离了我们230亿公里，正在太阳系的边疆并离我们越来越远，最终将彻底和地球失去联系，孤独地“流浪”在宇宙中。在这颗航天器上搭载了一张金色的光盘，这张光盘中有着115幅影像、代表人类文明的各种符号、用55种人类语言录制的问候语和各类音乐以及海浪、风、鸟、鱼等大自然的声音。她和这张光盘是我们人类抛向太空的“漂流瓶”。或许多少年以后，地球上已经没有人类了或者人类在其他星球继续生存，无论是地外文明还是人类新的后代发现了这一只漂流瓶，从而发现地球上曾经存在的繁荣文明，都是一件非常有意义的事情。

也许，我们人类的生命在宇宙中是非常特殊的，因为我们迄今为止都没有在任何其他星球上发现过任何低等或高等的生命。我们大多数人都认可宇宙是充满生命的，可能我们会在力所能及地探索却仍未发现地外生命、发现地球是人类唯一的家园时，感到失落甚至绝望，但有一点是我们必须始终坚信的道理——我们只有一个地球，我们要保护她。

（根据宣讲家网报告整理编辑，

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责任编辑：王瑱

文章来源：http://www.71.cn/2020/1028/1105150.shtml