【摘要】人類對日月星辰的關(guān)注和記載貫穿在不同地域、不同時期、不同繁榮程度的文明中，這種默契的巧合使我們不得不懷疑“探索太空”是人類與生俱來的欲望。然仔細(xì)推敲，這其實是人類的求知欲和求生欲疊加的必然結(jié)果，這種疊加形成了我們探索太空的強(qiáng)大驅(qū)動力，并始終帶領(lǐng)人類不斷進(jìn)步。最初人們關(guān)注日月星辰的運(yùn)轉(zhuǎn)，是為了辨識天氣和回家的方向、確認(rèn)農(nóng)耕時間等。如今我們關(guān)注太空，是為了保護(hù)地球免受小天體的襲擊，開發(fā)和利用太空資源，乃至星際移民。

【關(guān)鍵詞】宇宙探索 太空資源 深空探測

【中圖分類號】P159 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

大約5300年前，河洛古國的觀星者用九個陶罐演繹出“北斗九星圖”，該圖不但反復(fù)出現(xiàn)于同一時期的文化遺跡中，還在后世許多史料中留下只言片語的記載。結(jié)合這些線索和九星中的兩顆如今已消隱不見的事實，歷史學(xué)家和天文學(xué)家經(jīng)多方考證，共同確認(rèn)這是對天球上位于“北斗七星”兩側(cè)的兩顆超新星遺跡的記載，也是人類歷史上最早的超新星遺跡記錄。事實上，在數(shù)千年的歷史長河中，有著不同形式、不同語言、不同先進(jìn)程度的天文學(xué)相關(guān)記載，讓我們可以從中抽絲剝繭出更多有趣的信息。將這些信息匯總起來，就構(gòu)成了一部人類天文學(xué)發(fā)展史，亦是一本人類探索太空的遠(yuǎn)征日記。人類對于日月星辰的好奇、崇拜，對其運(yùn)行規(guī)律、來源和終點(diǎn)等問題的思考總結(jié)，以及在探索這些奧秘的過程中所做的一切正確的、錯誤的點(diǎn)滴嘗試都被記錄在內(nèi)。

裸眼觀星時代：不同文明天文學(xué)發(fā)展呈現(xiàn)出同步性

隨著人類對天體的觀測逐漸日常化，記錄范圍和重點(diǎn)也逐漸從日月擴(kuò)展到太陽系內(nèi)的行星和明亮的恒星。例如公元前17世紀(jì)左右，古巴比倫城邦中人們用楔形文字將金星的運(yùn)行狀態(tài)記錄在泥板上，這是最早的金星運(yùn)行記錄，在之后出土的泥板中，也發(fā)現(xiàn)了對其它行星的觀測記錄。公元前15世紀(jì)，殷商中興之主太戊帝的得力助手巫咸，憑借其豐富的觀測經(jīng)驗，以北極星和華蓋星等為指引，創(chuàng)造出航海觀星定位的牽星之術(shù)，提出“指”這個牽星概念。后世的《巫咸占》《開元占經(jīng)》等皆傳承巫咸之學(xué)，以及它的星占占辭和星表。與此同時，在隔著半個地球的尼羅河畔，古埃及神廟的高級祭司們手持麥開特（古埃及人特有的天文測量工具）虔誠地記錄著眾星辰的位置。不遠(yuǎn)處的宮殿里，皇家天文學(xué)家、哈特謝普蘇特女王的宮廷主管塞內(nèi)姆特嘗試著將他對行星的觀測記錄融合進(jìn)自己的建筑設(shè)計中，使我們得以在3000多年后，于女王神廟的傳世壁畫中一窺前人的浪漫——譬如牛首人身形象所代表的木星，鉤子或鷹所代表的金星。

在不同文明均開始關(guān)注金、火、木等行星和一些明亮的恒星之后，大家似乎又心有靈犀地意識到總結(jié)天體運(yùn)行規(guī)律和制作全天星表的重要性。大約2400年前的戰(zhàn)國時期，在諸子云集的齊國稷下學(xué)宮中，魯國人甘德嘗試編制全天星表，并發(fā)現(xiàn)歲星（木星的古稱）的一個特征為“登若有小赤星附于其側(cè)”，這是現(xiàn)存對木衛(wèi)三觀測的最早記載。甘德根據(jù)對木星觀測規(guī)律的總結(jié)，創(chuàng)造了甘氏歲星法。差不多同一時期，魏國人石申提出了改進(jìn)的歲星紀(jì)年法，并結(jié)合大量觀測記錄繪制了全天星表。到了公元前2世紀(jì)的西漢時期，人們將二人成果總結(jié)為《甘石星經(jīng)》，收錄了大約800顆恒星在天空中的方位及運(yùn)動規(guī)律，成為最古老的天文學(xué)著作之一。巧合的是，此時小亞細(xì)亞半島一帶，希臘人喜帕恰斯誕生。他經(jīng)過在羅德島的長期觀測積累，繪制出依巴谷星表，收錄了全天1022顆恒星的方位，是西方最早的一份全天星表。又過了幾個世紀(jì)，三國時期吳國天文學(xué)家陳卓橫空出世，集甘德、石申和巫咸三家星表之大成，總結(jié)出中國古代經(jīng)典的283星官1464星的星官系統(tǒng)，對后世影響頗深。

公元1世紀(jì)，東方大地誕生了張衡，西方大地誕生了托勒密，二人皆為天文大家，對天文學(xué)有著深入且系統(tǒng)的認(rèn)識，并且都結(jié)合前人的積累和自身的研究，對天地形態(tài)和各種天文現(xiàn)象給出了基于數(shù)理學(xué)的解譯。當(dāng)然，二人的觀點(diǎn)不盡相同，托勒密撰寫《至大論》，主張“地心說”，認(rèn)為日月星辰繞地而動，而張衡則主張“渾天說”，認(rèn)為“天之包地，猶殼之裹黃”。細(xì)思過后，我們可以認(rèn)為兩種學(xué)說在星辰日月繞地而動這一點(diǎn)上大致相似，只是形態(tài)理解上有所差異。總而言之，公元元年前后的幾個世紀(jì)，經(jīng)過長期的天文學(xué)資料積累，不同文明中各自誕生了集前人大成的天文學(xué)著作，這是一次天文學(xué)發(fā)展的同步。此二人主張的學(xué)說都在各自的地域統(tǒng)治后世千余年，直至歷法誤差在10多個世紀(jì)的歲月里逐漸積累到了無法使用的程度，才逐步被質(zhì)疑和取代，而那個時候，世界各地的文化融合已然開始，同步也就成為了一個必然結(jié)果。

望遠(yuǎn)鏡觀天時代：人們生產(chǎn)生活需求推動了天體測量學(xué)的繁榮發(fā)展

文字的誕生讓人類的經(jīng)驗得以橫向傳播和縱向傳承。伴隨著日、月、行星等天體的觀測資料的不斷積累，它們的周期性運(yùn)行規(guī)律被提煉出來。人們隨即應(yīng)用這些規(guī)律來更好地改善歷法、提高生產(chǎn)力，這其實就是古巴比倫人繪制日月運(yùn)行表和甘德、石申等天文學(xué)家總結(jié)行星運(yùn)行規(guī)律的社會驅(qū)動力。對于不同文明而言，這種需求的強(qiáng)烈程度大體一致，且人類群體能力的上限也大體一致，這就導(dǎo)致了不同文明花費(fèi)了大致相當(dāng)?shù)臅r間達(dá)到了大致相同的文明發(fā)展高度。這一點(diǎn)在之后也得到了認(rèn)證——當(dāng)行星的規(guī)律逐漸揭開時，對于一些細(xì)微的誤差和無法解釋的現(xiàn)象，人們開始將希望寄托于更多的天體參照物，也就是說人類社會活動自發(fā)產(chǎn)生了確定天體準(zhǔn)確位置的需求。這也是為什么在公元元年前后，東西方科學(xué)家都在努力交出全天星表答卷的原因。在觀測和繪制過程中，他們對日月星辰的運(yùn)動進(jìn)行思考和總結(jié)，分別誕生了影響其所在區(qū)域千余年的天文學(xué)理論。

哥白尼逝世后的第三年，丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫誕生。他是歷史上唯一可以與喜帕恰斯一較高下的肉眼觀星者，一生致力于天體觀測，并在逝世前將自己十?dāng)?shù)年的觀測成果交給助手約翰尼斯·開普勒。開普勒早年已然接受“日心說”思想，他綜合第谷的數(shù)據(jù)，總結(jié)出行星運(yùn)動三大定律，被稱為“天空的立法者”。同一時代，哥白尼理論的另一位擁護(hù)者——伽利略·伽利雷使用自制望遠(yuǎn)鏡觀測天空，開啟了探索太空的新時代。伽利略不僅發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，記錄了太陽黑子、金星盈虧等天文現(xiàn)象，還在數(shù)學(xué)、物理學(xué)上具有極高的造詣。他亦是獨(dú)步于時代的斗士，勇敢地宣傳哥白尼的“日心說”理論，頂著教會巨大的壓力，寫下了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，轟動了當(dāng)時的科學(xué)界，被譽(yù)為“現(xiàn)代物理學(xué)之父”“科學(xué)方法之父”。

伽利略去世的同年，在英國林肯郡一個名為烏爾斯索普的小村莊里，艾薩克·牛頓誕生。他建立了完整的牛頓力學(xué)體系，發(fā)現(xiàn)了萬有引力，分析了潮汐現(xiàn)象與日月運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)系，預(yù)言了地球不是正球體，等等。這些新觀點(diǎn)、理論以及研究方法的開創(chuàng)，對天文學(xué)的發(fā)展影響巨大。牛頓對天文學(xué)的另一項偉大貢獻(xiàn)是他成功研制了反射式望遠(yuǎn)鏡，使歐洲天文學(xué)的發(fā)展突破了半個多世紀(jì)以來的儀器限制。自伽利略開始，人們一直在嘗試制作更適合天文觀測的望遠(yuǎn)鏡——在當(dāng)時的認(rèn)知里，那就是更大的折射式望遠(yuǎn)鏡。為了盡量減少折射式望遠(yuǎn)鏡的色差，需要盡量降低透鏡曲率，這不但對磨制鏡片提出了更高的工藝要求，同時也使成像焦距進(jìn)一步增加。因此，在大約60年的時間里，天文望遠(yuǎn)鏡的鏡筒長度以匪夷所思的速度增長。例如，當(dāng)時已制成鏡筒長達(dá)45米的望遠(yuǎn)鏡，人們甚至需要另外建造一座高塔來支撐它，而觀測者在使用它時需同時調(diào)動百余人調(diào)整望遠(yuǎn)鏡方向?？梢?，這樣的龐然大物即便具有優(yōu)秀的成像能力，也因為笨重而很難滿足觀測需求。荷蘭著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯試圖解決這個問題，他創(chuàng)造性地拋棄了鏡筒，設(shè)計出“天空望遠(yuǎn)鏡”，即觀測者手持目鏡站在數(shù)個街區(qū)之外，結(jié)合安放在遠(yuǎn)處高塔上的巨大物鏡進(jìn)行觀測?；莞挂矐{借此法發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)，并成為第一個繪制火星表面地圖的人。他將火星表面特征性的倒三角形暗色區(qū)域取名“沙漏海”，因為他認(rèn)為那里代表著火星表面一處巨大的深陷，而今天我們知道，那里是一片海拔更高的區(qū)域——“大瑟提高原”。盡管有所突破，“天空望遠(yuǎn)鏡”并未從本質(zhì)上解決問題，在使用上仍有諸多限制和不便。而牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡的問世，則徹底將人們從建設(shè)奇長鏡筒望遠(yuǎn)鏡的誤區(qū)中挽救出來。1671年，牛頓將自己研制的僅有十幾公分大小的反射式望遠(yuǎn)鏡帶到了英國皇家科學(xué)院，并展現(xiàn)了其相當(dāng)于幾米鏡筒折射式望遠(yuǎn)鏡的威力。這一事件在某種程度上促成了查理二世出資修建格林尼治天文臺的決定，為后續(xù)建設(shè)更大口徑的反射式望遠(yuǎn)鏡奠定了基礎(chǔ)。

如今，惠更斯發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡早已淡出歷史舞臺，而牛頓的望遠(yuǎn)鏡卻在原本基礎(chǔ)上被不斷改良，并在300年后被應(yīng)用于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中，成為人類探索太空的法寶。1675年，約翰·弗拉姆斯蒂德成為首位格林尼治天文臺臺長。他是那個時代最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠^測者，亦是現(xiàn)代精密天文觀測的開拓者。同年，在法國皇家科學(xué)院巴黎天文臺潛心觀測的喬凡多·卡西尼，發(fā)現(xiàn)了土星的四顆衛(wèi)星，以及土星環(huán)上的卡西尼縫，并提出了土星環(huán)可能由許多小顆粒組成的猜想。1679年，卡西尼繪制出精妙絕倫的月面圖，該圖在之后的至少一個世紀(jì)中處于“獨(dú)孤求敗”的狀態(tài)。次年，卡西尼與格林尼治天文臺的愛德蒙·哈雷共同觀測到一顆彗星，從此開啟了后者對彗星的研究熱情，最終成功預(yù)言了哈雷彗星于1759年初的回歸，并被法國天文學(xué)家查爾斯·梅西耶所證實。1690年，卡西尼注意到木星的兩極轉(zhuǎn)速慢于赤道轉(zhuǎn)速，并由此發(fā)現(xiàn)了木星的較差自轉(zhuǎn)。

在17世紀(jì)，人們對航海定向的需求推動了天體測量學(xué)的繁榮發(fā)展，觀測精度的提高和天文資料的豐富用無可辯駁的證據(jù)破除了之前由宗教信仰產(chǎn)生的許多錯誤的假設(shè)和默認(rèn)規(guī)則。例如，哈雷發(fā)現(xiàn)了恒星的“自行”，破除了恒星固定于天球不動的傳統(tǒng)認(rèn)知。牛頓最早提出地球非標(biāo)準(zhǔn)球體，與當(dāng)時天主教對于太陽、地球是完美球體的認(rèn)知相違背，起初并不被接受，但幾代科學(xué)家堅持不懈對這一問題進(jìn)行反復(fù)推敲——他們遠(yuǎn)征極地、橫跨赤道，最終證實了牛頓提出的觀點(diǎn)。18世紀(jì)中期，埃里克西斯·克勒羅提出各緯度不同的地心引力公式，圓滿修正了非正球引起的引力偏差。“光”作為天主教中神圣的存在，長久以來被認(rèn)為具有無限的速度，但科學(xué)家們通過天文觀測得出的結(jié)論卻與之矛盾。1727年，布拉德·雷通過光行差實驗測定了光速，徹底破除了光速無限論。天體測量學(xué)的繁榮帶來的另一驚喜是天體力學(xué)的發(fā)展。天體測量結(jié)果往往需要結(jié)合天體力學(xué)分析，二者相輔相成、互為助力。18世紀(jì)數(shù)學(xué)的發(fā)展催生了分析力學(xué)的建立，為天體力學(xué)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使得歐洲在之后的一個世紀(jì)中涌現(xiàn)出萊昂哈德·歐拉、讓·達(dá)朗貝爾、約瑟夫·拉格朗日、皮埃爾·拉普拉斯、伊曼努爾·康德等眾多天體力學(xué)大師。

在18世紀(jì)以前，人們一度將土星視為太陽系的邊界。直至1781年威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星，太陽系的疆域才進(jìn)一步拓展。然而這只是赫歇爾諸多天文成就中相對不起眼的一件小事。統(tǒng)計表明，這位勤奮且博學(xué)的大師，一生建造了400余架望遠(yuǎn)鏡，觀測天象50余年，數(shù)過117600顆星，發(fā)現(xiàn)了天王星的兩顆衛(wèi)星和土星的兩顆衛(wèi)星。他首次觀測到了太陽的紅外輻射，并因此創(chuàng)立了天文學(xué)的新分支——彩色光度學(xué)（即現(xiàn)在所說的光譜學(xué)）；他是第一個對雙星感興趣的人，進(jìn)行了長達(dá)19年的“巡天”計劃，編制了首個雙星表；他出版了星團(tuán)和星云表，并提出恒星演化理論；他嘗試研究銀河系的結(jié)構(gòu)，并證明萬有引力定律對于銀河系仍然適用；他建造的122厘米口徑、長12米的反射式望遠(yuǎn)鏡被稱為18世紀(jì)的天文奇跡之一。1812年，法國人亞利克西斯·布瓦德在計算天王星運(yùn)動軌道時，發(fā)現(xiàn)天王星軌道理論計算值同觀測資料存在誤差。之后，許多科學(xué)家致力于深入研究這一誤差，卻不得其解。直至1846年9月23日，柏林天文臺收到一封來自法國巴黎的郵件，寄信人為奧本·勒維耶，稱其通過計算預(yù)測一顆以往沒有發(fā)現(xiàn)的新行星，位于摩羯座δ星東約50角分的地方，每天退行69角秒。當(dāng)夜，約翰·伽勒用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了確認(rèn)，果然在該位置發(fā)現(xiàn)了一顆新的8等星，第二天他再次找到了這顆8等星，發(fā)現(xiàn)其位置比前一天后退了70角秒。至此，海王星的神秘面紗終于得以揭開。

發(fā)現(xiàn)海王星之后，科學(xué)家們并未沉溺于天體力學(xué)的榮光中，他們意識到，雖然人類已經(jīng)找到研究天體運(yùn)行規(guī)律的門徑，但對天體的本質(zhì)卻是驚人的無知。在將分光學(xué)、光度學(xué)和照相術(shù)等相繼應(yīng)用于天體觀測之后，天文學(xué)家對天體的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理狀態(tài)的研究形成了一個完整的科學(xué)體系，即天體物理學(xué)。天體物理學(xué)最初的進(jìn)展來自對太陽的研究。1861年，古斯塔夫·基爾霍夫出版了《太陽光譜論》一書，根據(jù)太陽光譜中吸收線的特征認(rèn)證了太陽上有鐵、鈉、鈣等元素存在，啟發(fā)了人們利用光譜研究天體的化學(xué)組成。四年后，法國天文學(xué)家赫維·法伊進(jìn)一步提出太陽是一團(tuán)熾熱的氣體，并以對流方式由內(nèi)向外散熱。至此，人類對太陽形成了三維的立體認(rèn)知。

此時，天體力學(xué)的研究也從外太陽系巨行星轉(zhuǎn)向了之前并未仔細(xì)研究的內(nèi)太陽系較小的行星。1859年，勒威耶在海王星成功預(yù)言之后，又提出了水內(nèi)行星的預(yù)言，因為他發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)進(jìn)動的觀測值比根據(jù)牛頓定律算得的理論值每世紀(jì)快38角秒。他據(jù)此猜測這樣的偏差是由一顆比水星更靠近太陽的水內(nèi)行星所造成的。許多年過后，這顆行星始終未被找到。這個問題吸引了不同領(lǐng)域的科學(xué)家們嘗試從電磁力、阻尼力等其它方向入手，甚至一度打算修改萬有引力公式。直至20世紀(jì)阿爾伯特·愛因斯坦提出廣義相對論，才賦予水星進(jìn)動問題一個完美的解釋。

廣義相對論的提出和驗證，意味著人類掌握的物理規(guī)律具有更廣泛的適用范圍，即從太陽系延伸到了全宇宙。此時，原有的星表已無法滿足人類的求知欲，于是更大的“觀天之眼”應(yīng)時而生。1917年，稱霸后世30年的胡克望遠(yuǎn)鏡橫空出世，它使用液態(tài)的水銀構(gòu)成恒壓系統(tǒng)，是當(dāng)時最先進(jìn)、最大的望遠(yuǎn)鏡。兩年后，阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜為這架望遠(yuǎn)鏡裝置了一架干涉儀，使它可以對恒星角直徑進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量，從而根據(jù)較差測距得出恒星更精確的大小。他曾用此望遠(yuǎn)鏡測量獵戶座α的直徑，由此驗證了丹麥天文學(xué)家埃納爾·赫茨普龍的猜測，即恒星大小差異甚大，有巨星和矮星之分。邁克爾遜在1920年測得這顆恒星的角直徑為0.045角秒，從而結(jié)合它的距離得知其直徑達(dá)數(shù)億公里，甚至大于木星的繞日公轉(zhuǎn)軌道直徑。赫茨普龍是最早提出絕對星等的人，他一直關(guān)注恒星絕對星等和顏色之間的關(guān)系。與此同時，亨利·諾利斯·羅素利用胡克望遠(yuǎn)鏡的巡天數(shù)據(jù)將恒星依據(jù)光度和光譜類型進(jìn)行分類。他們都得出恒星兩種特征的相關(guān)關(guān)系，并驚訝于結(jié)果的相似。隨后他們認(rèn)識到，恒星絕對星等等效于光度，而恒星光譜型則等效于顏色。至此，他們意識到所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律其實指向同一個問題的答案，即恒星的演化軌跡。今天，人們將他們的成果合稱為赫羅圖，是20世紀(jì)恒星天文學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)。

大約在同一時間，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃利用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測一些當(dāng)時被稱為“螺旋星云”的奇特天體。他在所謂“仙女座星云”中發(fā)現(xiàn)了造父變星的存在。因造父變星的光變周期與距離存在嚴(yán)格的相關(guān)性，哈勃利用這一關(guān)系測得了該天體的距離（當(dāng)時測定約100萬光年，現(xiàn)在的測量結(jié)果為240萬光年），并發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于哈洛·沙普利提出的銀河系尺寸（約30萬光年）。哈勃由此提出，“螺旋星云”其實代表了銀河系外的其它星系，從而結(jié)束了“銀河系包裹著宇宙”的傳統(tǒng)認(rèn)知。隨后，哈勃又在20多個河外星系中發(fā)現(xiàn)，星系的紅移隨著距離的增加而增加，從而判斷出宇宙是膨脹的，推翻了當(dāng)時普遍認(rèn)為的宇宙不變的觀點(diǎn)。經(jīng)過長期觀測，哈勃將河外星系按照形態(tài)進(jìn)行分類，成為星系天文學(xué)的開創(chuàng)者。胡克望遠(yuǎn)鏡被許多天文學(xué)家使用，取得了大量開創(chuàng)性的成果。

20世紀(jì)天文學(xué)的一個重要突破是觀測手段的多樣化。當(dāng)人類看的更遠(yuǎn)、更清晰時，求知欲驅(qū)動著人類在享受視覺體驗的同時，亦可借助聽覺了解太空更多的信息。1932年，貝爾實驗室的工程師卡爾·央斯基在研究衛(wèi)星電話短波靜電干擾實驗中，意外發(fā)現(xiàn)了一個干擾源：該信號與太陽高度無關(guān)，按照23小時56分鐘的周期變化，與地球自轉(zhuǎn)周期很接近，意味著它很可能是來自天球上擁有相對固定位置的天體。經(jīng)過反復(fù)測試，央斯基發(fā)現(xiàn)其朝向人馬座（銀河系中心）方向的信號最強(qiáng)，故而猜測這一信號來自銀心。這一事件引起了天文學(xué)家的極大關(guān)注，從此以無線電信號探測為基礎(chǔ)的射電天文學(xué)逐漸發(fā)展起來。無線電信號可以通過干涉得到比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更高的分辨率，因而對遙遠(yuǎn)天體的信號測定也更為準(zhǔn)確，且可以通過建立射電望遠(yuǎn)鏡陣列來增加觀測靈敏度，突破射電望遠(yuǎn)鏡單鏡的口徑限制。射電觀測手段使人類在20世紀(jì)60年代先后發(fā)現(xiàn)了類星體、脈沖星、星際分子以及微波背景輻射，是一種特別適用于迸發(fā)型信號的觀測手段。

航天器遠(yuǎn)征太空時代：探索地球之外的資源，甚至筑造人類新家園

胡克望遠(yuǎn)鏡是天文學(xué)家的一雙“千里眼”，射電望遠(yuǎn)鏡則相當(dāng)于天文學(xué)家的一對“順風(fēng)耳”。天文學(xué)家讓人類對太空有了全新的視覺和聽覺體驗，也同時激發(fā)了人類更瘋狂的想法。20世紀(jì)60年代，火箭動力學(xué)的進(jìn)展讓人類沖出地球的夢想化為現(xiàn)實，人類的雙腳已經(jīng)不甘心只停留在地球之上。1957年10月4日，人類歷史上首顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號在前蘇聯(lián)拜科努爾航天基地發(fā)射升空，這標(biāo)志著人類繼裸眼時代和望遠(yuǎn)鏡時代之后，進(jìn)入太空探索的第三個時代——航天器時代。兩年后，前蘇聯(lián)發(fā)射月球一號探測器，在距離表面6000公里高度處掠過月球，開啟了人類近距離“觸摸”地外天體的篇章。十年后的1969年7月20日，美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林在阿波羅11號任務(wù)中實現(xiàn)了首次登月，更是在人類的太空探索史詩中寫下了濃重的一筆。在隨后半個多世紀(jì)的太空探索中，一代又一代的航天人將一顆又一顆的探測器送到了太陽系的各個角落：行星、天然衛(wèi)星、小行星、乃至太陽系邊際。這些探測器身懷絕技，對地外天體的大氣成分、表面物性等特性開展了精細(xì)測量，使我們對這些星球在視覺、聽覺、觸覺之外，還有了嗅覺、味覺等的感知。至此，人類對太空有了全面而立體的認(rèn)知。

阿波羅計劃將月球的真實細(xì)節(jié)展示給我們，讓我們意識到這里沒有玉兔、桂樹和月宮，而只是一片極度荒涼的不毛之地。水手10號為我們拍攝了第一張水星特寫照片，讓我們了解到水星上非但沒有水，而且還是一半熾熱一半寒冷的分裂世界。金星快車告訴我們，它并不是美神維納斯的化身，相反它被厚重的云層所覆蓋，是個充滿硫酸雨和火山爆發(fā)的煉獄?；鹦侨蚩碧秸哂酶咔逭掌鬯榱宋覀儗鹦侵樀幕孟?，告訴我們火星寒冷且荒涼，并不存在任何史前文明的遺跡。除此之外，我們還窺探了木衛(wèi)二的地下海洋，見識了土衛(wèi)二的超級噴泉，目睹了谷神星的冰火山，飛掠了冥王星的愛心平原。距離我們最遙遠(yuǎn)的人類探測器旅行者號甚至攜帶著包含地球“聲音”信息的銅制鍍金唱片穿越了太陽系的邊界。當(dāng)它回望地球的瞬間，我們不禁感慨人類生活的世界竟然是太空中如此微不足道的一個小點(diǎn)，而數(shù)千年令人類歡笑和流淚、堅強(qiáng)又柔軟的一切都發(fā)生在這個彈丸之地上。縱然如此，這里誕生的極度脆弱和渺小的人類，靠著與眾不同的求知欲，在近100年時間里將過去千余年間未曾實現(xiàn)的夢想變成現(xiàn)實。

人類一直在努力尋找著地外生命正在及曾經(jīng)留下的印跡，抑或是尋找可能孕育生命的地外環(huán)境，然而至今，我們依然沒有在太陽系內(nèi)找到其它如地球般適合人類生存的星球。我們甚至開始將目光投向太陽系之外，幾十年的搜尋中，我們發(fā)現(xiàn)大部分系外行星都是“熱木星”或“迷你海王星”；對于少數(shù)位于宜居帶內(nèi)，可能存在生命的星球，我們至少面臨著沖出太陽系的速度障礙，畢竟人類的雙腳還未真正踏出地月系之外。如今面臨的生存危機(jī)喚醒了人類骨子里的求知欲與求生欲。我們開始思考如何探索地球之外更多的資源、能源，抑或是如何在環(huán)境惡劣的地外天體上筑造人類新家園，這些挑戰(zhàn)逐步從數(shù)十年前的科幻小說與電影中走了出來，成為當(dāng)今人類科技發(fā)展、社會活動中的切實存在。

人類60余年的深空探測歷程告訴我們，地球之外的太空中存在著極其豐富的各種能源、資源，近乎取之不盡、用之不竭。太陽能作為一種絕佳的清潔能源，每秒為地球提供的能量已知是如今全世界每秒發(fā)電總量的數(shù)倍。為了更好地利用這一能源，美國工程師彼得·格拉澤早在1968年就提出依賴航天技術(shù)發(fā)展空間電站的概念——它通過在地球軌道放置太陽能帆板，可以有效規(guī)避地球大氣的吸收，從而極大提升太陽能接收率，而通過微波輻射將能量傳輸回地面，亦可減少電纜和工事修筑，從而極大降低碳排放。氦3作為重要的核聚變發(fā)電原料，也是一種極好的清潔能源。一噸的氘-氦3核聚變發(fā)電站，就可以滿足全世界一年的用電，而我們?nèi)缃裰?，僅僅是月壤中的氦3資源總量就高達(dá)數(shù)百萬噸。月基能源的利用還給我們帶來了額外的紅利：月球表面重力加速度只有地球的六分之一，因此同樣的發(fā)射任務(wù)，在月球上只需耗費(fèi)地球上六分之一的能量——這意味著月球可以作為人類去往火星或更遙遠(yuǎn)天體的理想中轉(zhuǎn)站。太空為人類提供了地球上難以模擬的微重力環(huán)境，為材料合成、晶體生長指引了突破的方向。我們?nèi)缃襁€知道，至少1500顆小行星比月球更易到達(dá)。一顆富金屬小行星估算可以為人類提供價值超過3萬億美元的鉑金資源，而一顆富水小行星可以為人類提供價值超過5萬億美元的水資源，更遑論新發(fā)現(xiàn)的小行星在以每年超過1000顆的速度增長著。今天的我們開始期待，即將到來的小行星商業(yè)采礦可以讓人類不再擔(dān)憂地球礦產(chǎn)資源的貧乏。也許人類尚需經(jīng)歷長久的努力，才能如6萬年前的非洲智人般真正沖出我們居住的家園，搬到遠(yuǎn)離地球的另一個棲息地?？v然如此，太空探索的每一次進(jìn)步都伴隨著科技的飛躍，給我們帶來無盡的財富和便利。的確，太空探索培養(yǎng)了一代又一代才華橫溢的科學(xué)家和工程師，創(chuàng)造了一批又一批全新的就業(yè)機(jī)會，最終推動了科技的進(jìn)步，促進(jìn)了文明的繁榮。如今，當(dāng)我們早已習(xí)慣使用身邊的無線通訊技術(shù)、數(shù)碼攝像技術(shù)、空氣凈化技術(shù)、食品冷凍干燥技術(shù)之時，不應(yīng)忘記這一切的一切皆是太空探索為人類帶來的福音。

近幾十年的太空探索不僅讓我們欣喜于這些偉大的成就和進(jìn)步，同時也讓人類開始認(rèn)真關(guān)注它可能給我們帶來的災(zāi)難。經(jīng)過不懈的努力，科學(xué)家如今已認(rèn)識到對地球構(gòu)成潛在威脅的小行星通常離地球的最小距離不超過0.05個天文單位（即不到20倍的地月距離），絕對視星等不低于22等，平均直徑在150米左右；而目前已發(fā)現(xiàn)的大約17000顆近地天體中，至少有1847顆對地球存在潛在的威脅。為了推動近地小天體監(jiān)測和防御，世界各國都投入了巨大的精力：美國宇航局規(guī)劃了NEOCam項目，用一個空間紅外望遠(yuǎn)鏡彌補(bǔ)地面觀測之不足，達(dá)到發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測亞公里級小行星的科學(xué)目標(biāo)；我國也計劃在“十四五”期間推動建立小行星防御系統(tǒng)，在對小行星進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視的同時，篩選出對地球存在威脅的個體，并將于2025至2026年，對其中的一顆小行星進(jìn)行抵近觀察并實施防御以改變其軌道。伴隨著這些努力，五花八門的小行星防御方案被科學(xué)家提出，或放置反射鏡制造光壓推動，或激光照射其表面產(chǎn)生揮發(fā)氣體以形成反推動力，抑或是發(fā)射人造衛(wèi)星圍繞小天體轉(zhuǎn)動以干擾其軌道……雖然到目前為止，這些防御技術(shù)尚未被真正使用，但我們堅信成功并不久遠(yuǎn)。

回溯過往數(shù)千年的歷史，人類不斷渴望窺探日月星辰的奧秘。在這個過程中，有失敗，也有成功，但不可否認(rèn)，對太空的探索，一次次將人類的潛能挖掘出來，帶來科技的極大飛躍，也帶來生活水平和認(rèn)知水平的極大提高。如今的我們深刻意識到，在浩瀚星海中，地球非常渺小，但它對我們卻至關(guān)重要。在這里，日月經(jīng)天、江河行地、山巒巍峨、海洋壯闊；在這里，百花斗艷、萬木崢嶸、魚翔淺底、鷹擊長空；在這里，有我們目前唯一的家園。我們在這里長大、發(fā)展，也在這里膨脹、悔恨——“保護(hù)環(huán)境、利用太空”如今已成為全世界的共識：要好好保護(hù)我們唯一的家園，減少對她的傷害，給她自我調(diào)節(jié)的時間，還她青山綠水；學(xué)會使用太空資源，減少對她的索取；開發(fā)地外基地，減少她所能承受的負(fù)擔(dān)；建立近地防御系統(tǒng)，避免她遭受外來的傷害……所謂十年飲冰，難涼熱血，我相信，當(dāng)我們血脈中的求知欲和求生欲被再度激發(fā)，當(dāng)全世界團(tuán)結(jié)起來，一起“為人間謀天上事”，我們對太空的探索也將使地球變得更加美好。

（作者為中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授、博導(dǎo)，中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心特聘研究員，中國科學(xué)院空間科學(xué)創(chuàng)新研究院特聘研究員，中國地球物理學(xué)會行星物理專業(yè)委員會主任）

責(zé)編/銀冰瑤 美編/李祥峰

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