【摘要】人類對(duì)日月星辰的關(guān)注和記載貫穿在不同地域、不同時(shí)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(lái)的欲望。然仔細(xì)推敲，這其實(shí)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(dòng)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(shí)天氣和回家的方向、確認(rèn)農(nóng)耕時(shí)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(cè)
【中圖分類號(hào)】P159 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
大約5300年前，河洛古國(guó)的觀星者用九個(gè)陶罐演繹出“北斗九星圖”，該圖不但反復(fù)出現(xiàn)于同一時(shí)期的文化遺跡中，還在后世許多史料中留下只言片語(yǔ)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(shí)，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(duì)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(shí)上，在數(shù)千年的歷史長(zhǎng)河中，有著不同形式、不同語(yǔ)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(lái)，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(duì)于日月星辰的好奇、崇拜，對(duì)其運(yùn)行規(guī)律、來(lái)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(guò)程中所做的一切正確的、錯(cuò)誤的點(diǎn)滴嘗試都被記錄在內(nèi)。
裸眼觀星時(shí)代：不同文明天文學(xué)發(fā)展呈現(xiàn)出同步性
隨著人類對(duì)天體的觀測(cè)逐漸日?；?，記錄范圍和重點(diǎn)也逐漸從日月擴(kuò)展到太陽(yáng)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(duì)其它行星的觀測(cè)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(cè)經(jīng)驗(yàn)，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(gè)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(shí)，在隔著半個(gè)地球的尼羅河畔，古埃及神廟的高級(jí)祭司們手持麥開特（古埃及人特有的天文測(cè)量工具）虔誠(chéng)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(duì)行星的觀測(cè)記錄融合進(jìn)自己的建筑設(shè)計(jì)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(shí)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(guó)時(shí)期，在諸子云集的齊國(guó)稷下學(xué)宮中，魯國(guó)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(gè)特征為“登若有小赤星附于其側(cè)”，這是現(xiàn)存對(duì)木衛(wèi)三觀測(cè)的最早記載。甘德根據(jù)對(duì)木星觀測(cè)規(guī)律的總結(jié)，創(chuàng)造了甘氏歲星法。差不多同一時(shí)期，魏國(guó)人石申提出了改進(jìn)的歲星紀(jì)年法，并結(jié)合大量觀測(cè)記錄繪制了全天星表。到了公元前2世紀(jì)的西漢時(shí)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(dòng)規(guī)律，成為最古老的天文學(xué)著作之一。巧合的是，此時(shí)小亞細(xì)亞半島一帶，希臘人喜帕恰斯誕生。他經(jīng)過(guò)在羅德島的長(zhǎng)期觀測(cè)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(guò)了幾個(gè)世紀(jì)，三國(guó)時(shí)期吳國(guó)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(guó)古代經(jīng)典的283星官1464星的星官系統(tǒng)，對(duì)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(duì)天文學(xué)有著深入且系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并且都結(jié)合前人的積累和自身的研究，對(duì)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(shuō)”，認(rèn)為日月星辰繞地而動(dòng)，而張衡則主張“渾天說(shuō)”，認(rèn)為“天之包地，猶殼之裹黃”。細(xì)思過(guò)后，我們可以認(rèn)為兩種學(xué)說(shuō)在星辰日月繞地而動(dòng)這一點(diǎn)上大致相似，只是形態(tài)理解上有所差異?？偠灾昵昂蟮膸讉€(gè)世紀(jì)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(shuō)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(gè)世紀(jì)的歲月里逐漸積累到了無(wú)法使用的程度，才逐步被質(zhì)疑和取代，而那個(gè)時(shí)候，世界各地的文化融合已然開始，同步也就成為了一個(gè)必然結(jié)果。
望遠(yuǎn)鏡觀天時(shí)代：人們生產(chǎn)生活需求推動(dòng)了天體測(cè)量學(xué)的繁榮發(fā)展
文字的誕生讓人類的經(jīng)驗(yàn)得以橫向傳播和縱向傳承。伴隨著日、月、行星等天體的觀測(cè)資料的不斷積累，它們的周期性運(yùn)行規(guī)律被提煉出來(lái)。人們隨即應(yīng)用這些規(guī)律來(lái)更好地改善歷法、提高生產(chǎn)力，這其實(shí)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(huì)驅(qū)動(dòng)力。對(duì)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(shí)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(shí)，對(duì)于一些細(xì)微的誤差和無(wú)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(shuō)人類社會(huì)活動(dòng)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(cè)和繪制過(guò)程中，他們對(duì)日月星辰的運(yùn)動(dòng)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(cè)，并在逝世前將自己十?dāng)?shù)年的觀測(cè)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(shuō)”思想，他綜合第谷的數(shù)據(jù)，總結(jié)出行星運(yùn)動(dòng)三大定律，被稱為“天空的立法者”。同一時(shí)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(cè)天空，開啟了探索太空的新時(shí)代。伽利略不僅發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，記錄了太陽(yáng)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(shí)代的斗士，勇敢地宣傳哥白尼的“日心說(shuō)”理論，頂著教會(huì)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(duì)話》，轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)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(guó)林肯郡一個(gè)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(wàn)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(duì)天文學(xué)的發(fā)展影響巨大。牛頓對(duì)天文學(xué)的另一項(xiàng)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(gè)多世紀(jì)以來(lái)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(cè)的望遠(yuǎn)鏡——在當(dāng)時(shí)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(duì)磨制鏡片提出了更高的工藝要求，同時(shí)也使成像焦距進(jìn)一步增加。因此，在大約60年的時(shí)間里，天文望遠(yuǎn)鏡的鏡筒長(zhǎng)度以匪夷所思的速度增長(zhǎng)。例如，當(dāng)時(shí)已制成鏡筒長(zhǎng)達(dá)45米的望遠(yuǎn)鏡，人們甚至需要另外建造一座高塔來(lái)支撐它，而觀測(cè)者在使用它時(shí)需同時(shí)調(diào)動(dòng)百余人調(diào)整望遠(yuǎn)鏡方向?？梢姡@樣的龐然大物即便具有優(yōu)秀的成像能力，也因?yàn)楸恐囟茈y滿足觀測(cè)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(gè)問題，他創(chuàng)造性地拋棄了鏡筒，設(shè)計(jì)出“天空望遠(yuǎn)鏡”，即觀測(cè)者手持目鏡站在數(shù)個(gè)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(cè)?；莞挂矐{借此法發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)，并成為第一個(gè)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?yàn)樗J(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(zhǎng)鏡筒望遠(yuǎn)鏡的誤區(qū)中挽救出來(lái)。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(guó)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(tái)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(tái)，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(tái)臺(tái)長(zhǎng)。他是那個(gè)時(shí)代最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠^測(cè)者，亦是現(xiàn)代精密天文觀測(cè)的開拓者。同年，在法國(guó)皇家科學(xué)院巴黎天文臺(tái)潛心觀測(cè)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(gè)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(tái)的愛德蒙·哈雷共同觀測(cè)到一顆彗星，從此開啟了后者對(duì)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(guó)天文學(xué)家查爾斯·梅西耶所證實(shí)。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(duì)航海定向的需求推動(dòng)了天體測(cè)量學(xué)的繁榮發(fā)展，觀測(cè)精度的提高和天文資料的豐富用無(wú)可辯駁的證據(jù)破除了之前由宗教信仰產(chǎn)生的許多錯(cuò)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(dòng)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(shí)天主教對(duì)于太陽(yáng)、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(jiān)持不懈對(duì)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(shí)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(zhǎng)久以來(lái)被認(rèn)為具有無(wú)限的速度，但科學(xué)家們通過(guò)天文觀測(cè)得出的結(jié)論卻與之矛盾。1727年，布拉德·雷通過(guò)光行差實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光速，徹底破除了光速無(wú)限論。天體測(cè)量學(xué)的繁榮帶來(lái)的另一驚喜是天體力學(xué)的發(fā)展。天體測(cè)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(gè)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(yáng)系的邊界。直至1781年威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星，太陽(yáng)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(duì)不起眼的一件小事。統(tǒng)計(jì)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(cè)天象50余年，數(shù)過(guò)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(cè)到了太陽(yáng)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(shuō)的光譜學(xué)）；他是第一個(gè)對(duì)雙星感興趣的人，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)19年的“巡天”計(jì)劃，編制了首個(gè)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(wàn)有引力定律對(duì)于銀河系仍然適用；他建造的122厘米口徑、長(zhǎng)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(guó)人亞利克西斯·布瓦德在計(jì)算天王星運(yùn)動(dòng)軌道時(shí)，發(fā)現(xiàn)天王星軌道理論計(jì)算值同觀測(cè)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(tái)收到一封來(lái)自法國(guó)巴黎的郵件，寄信人為奧本·勒維耶，稱其通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)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(shí)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(duì)天體的本質(zhì)卻是驚人的無(wú)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(cè)之后，天文學(xué)家對(duì)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(gè)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(lái)自對(duì)太陽(yáng)的研究。1861年，古斯塔夫·基爾霍夫出版了《太陽(yáng)光譜論》一書，根據(jù)太陽(yáng)光譜中吸收線的特征認(rèn)證了太陽(yáng)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(guó)天文學(xué)家赫維·法伊進(jìn)一步提出太陽(yáng)是一團(tuán)熾熱的氣體，并以對(duì)流方式由內(nèi)向外散熱。至此，人類對(duì)太陽(yáng)形成了三維的立體認(rèn)知。
此時(shí)，天體力學(xué)的研究也從外太陽(yáng)系巨行星轉(zhuǎn)向了之前并未仔細(xì)研究的內(nèi)太陽(yáng)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?yàn)樗l(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)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(cè)這樣的偏差是由一顆比水星更靠近太陽(yáng)的水內(nèi)行星所造成的。許多年過(guò)后，這顆行星始終未被找到。這個(gè)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(wàn)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(duì)論，才賦予水星進(jìn)動(dòng)問題一個(gè)完美的解釋。
廣義相對(duì)論的提出和驗(yàn)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(yáng)系延伸到了全宇宙。此時(shí)，原有的星表已無(wú)法滿足人類的求知欲，于是更大的“觀天之眼”應(yīng)時(shí)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(shí)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(duì)恒星角直徑進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量，從而根據(jù)較差測(cè)距得出恒星更精確的大小。他曾用此望遠(yuǎn)鏡測(cè)量獵戶座α的直徑，由此驗(yàn)證了丹麥天文學(xué)家埃納爾·赫茨普龍的猜測(cè)，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(cè)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(duì)星等的人，他一直關(guān)注恒星絕對(duì)星等和顏色之間的關(guān)系。與此同時(shí)，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(shí)到，恒星絕對(duì)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(shí)到所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律其實(shí)指向同一個(gè)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(shí)間，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃利用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)一些當(dāng)時(shí)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(cè)得了該天體的距離（當(dāng)時(shí)測(cè)定約100萬(wàn)光年，現(xiàn)在的測(cè)量結(jié)果為240萬(wàn)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(wàn)光年）。哈勃由此提出，“螺旋星云”其實(shí)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(gè)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(shí)普遍認(rèn)為的宇宙不變的觀點(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，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(gè)重要突破是觀測(cè)手段的多樣化。當(dāng)人類看的更遠(yuǎn)、更清晰時(shí)，求知欲驅(qū)動(dòng)著人類在享受視覺體驗(yàn)的同時(shí)，亦可借助聽覺了解太空更多的信息。1932年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，意外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)干擾源：該信號(hào)與太陽(yáng)高度無(wú)關(guān)，按照23小時(shí)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(lái)自天球上擁有相對(duì)固定位置的天體。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，央斯基發(fā)現(xiàn)其朝向人馬座（銀河系中心）方向的信號(hào)最強(qiáng)，故而猜測(cè)這一信號(hào)來(lái)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(wú)線電信號(hào)探測(cè)為基礎(chǔ)的射電天文學(xué)逐漸發(fā)展起來(lái)。無(wú)線電信號(hào)可以通過(guò)干涉得到比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更高的分辨率，因而對(duì)遙遠(yuǎn)天體的信號(hào)測(cè)定也更為準(zhǔn)確，且可以通過(guò)建立射電望遠(yuǎn)鏡陣列來(lái)增加觀測(cè)靈敏度，突破射電望遠(yuǎn)鏡單鏡的口徑限制。射電觀測(cè)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(hào)的觀測(cè)手段。
航天器遠(yuǎn)征太空時(shí)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(duì)“順風(fēng)耳”。天文學(xué)家讓人類對(duì)太空有了全新的視覺和聽覺體驗(yàn)，也同時(shí)激發(fā)了人類更瘋狂的想法。20世紀(jì)60年代，火箭動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展讓人類沖出地球的夢(mèng)想化為現(xiàn)實(shí)，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(hào)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(shí)代和望遠(yuǎn)鏡時(shí)代之后，進(jìn)入太空探索的第三個(gè)時(shí)代——航天器時(shí)代。兩年后，前蘇聯(lián)發(fā)射月球一號(hào)探測(cè)器，在距離表面6000公里高度處掠過(guò)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(guó)宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林在阿波羅11號(hào)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了首次登月，更是在人類的太空探索史詩(shī)中寫下了濃重的一筆。在隨后半個(gè)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(cè)器送到了太陽(yáng)系的各個(gè)角落：行星、天然衛(wèi)星、小行星、乃至太陽(yáng)系邊際。這些探測(cè)器身懷絕技，對(duì)地外天體的大氣成分、表面物性等特性開展了精細(xì)測(cè)量，使我們對(duì)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(duì)太空有了全面而立體的認(rèn)知。
阿波羅計(jì)劃將月球的真實(shí)細(xì)節(jié)展示給我們，讓我們意識(shí)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(hào)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(gè)充滿硫酸雨和火山爆發(fā)的煉獄。火星全球勘探者用高清照片粉碎了我們對(duì)火星之臉的幻想，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(shí)了土衛(wèi)二的超級(jí)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(cè)器旅行者號(hào)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(yáng)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(gè)小點(diǎn)，而數(shù)千年令人類歡笑和流淚、堅(jiān)強(qiáng)又柔軟的一切都發(fā)生在這個(gè)彈丸之地上?？v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(shí)間里將過(guò)去千余年間未曾實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。
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(yáng)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(shuō)與電影中走了出來(lái)，成為當(dāng)今人類科技發(fā)展、社會(huì)活動(dòng)中的切實(shí)存在。
人類60余年的深空探測(cè)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(yáng)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(guó)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(guò)在地球軌道放置太陽(yáng)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(yáng)能接收率，而通過(guò)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(wàn)噸。月基能源的利用還給我們帶來(lái)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(zhǎng)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(jià)值超過(guò)3萬(wàn)億美元的鉑金資源，而一顆富水小行星可以為人類提供價(jià)值超過(guò)5萬(wàn)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(guò)1000顆的速度增長(zhǎng)著。今天的我們開始期待，即將到來(lái)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(zhǎng)久的努力，才能如6萬(wàn)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(gè)棲息地。縱然如此，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(lái)無(wú)盡的財(cái)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(huì)，最終推動(dòng)了科技的進(jìn)步，促進(jìn)了文明的繁榮。如今，當(dāng)我們?cè)缫蚜?xí)慣使用身邊的無(wú)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(shí)，不應(yīng)忘記這一切的一切皆是太空探索為人類帶來(lái)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(shí)也讓人類開始認(rèn)真關(guān)注它可能給我們帶來(lái)的災(zāi)難。經(jīng)過(guò)不懈的努力，科學(xué)家如今已認(rèn)識(shí)到對(duì)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(guò)0.05個(gè)天文單位（即不到20倍的地月距離），絕對(duì)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(duì)地球存在潛在的威脅。為了推動(dòng)近地小天體監(jiān)測(cè)和防御，世界各國(guó)都投入了巨大的精力：美國(guó)宇航局規(guī)劃了NEOCam項(xiàng)目，用一個(gè)空間紅外望遠(yuǎn)鏡彌補(bǔ)地面觀測(cè)之不足，達(dá)到發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)亞公里級(jí)小行星的科學(xué)目標(biāo)；我國(guó)也計(jì)劃在“十四五”期間推動(dòng)建立小行星防御系統(tǒng)，在對(duì)小行星進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視的同時(shí)，篩選出對(duì)地球存在威脅的個(gè)體，并將于2025至2026年，對(duì)其中的一顆小行星進(jìn)行抵近觀察并實(shí)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(dòng)，或激光照射其表面產(chǎn)生揮發(fā)氣體以形成反推動(dòng)力，抑或是發(fā)射人造衛(wèi)星圍繞小天體轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiān)信成功并不久遠(yuǎn)。
回溯過(guò)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(gè)過(guò)程中，有失敗，也有成功，但不可否認(rèn)，對(duì)太空的探索，一次次將人類的潛能挖掘出來(lái)，帶來(lái)科技的極大飛躍，也帶來(lái)生活水平和認(rèn)知水平的極大提高。如今的我們深刻意識(shí)到，在浩瀚星海中，地球非常渺小，但它對(duì)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(wàn)木崢嶸、魚翔淺底、鷹擊長(zhǎng)空；在這里，有我們目前唯一的家園。我們?cè)谶@里長(zhǎng)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(shí)：要好好保護(hù)我們唯一的家園，減少對(duì)她的傷害，給她自我調(diào)節(jié)的時(shí)間，還她青山綠水；學(xué)會(huì)使用太空資源，減少對(duì)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(lái)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(lái)，一起“為人間謀天上事”，我們對(duì)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(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心特聘研究員，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)創(chuàng)新研究院特聘研究員，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)行星物理專業(yè)委員會(huì)主任）
責(zé)編/銀冰瑤 美編/李祥峰
聲明：本文為人民論壇雜志社原創(chuàng)內(nèi)容，任何單位或個(gè)人轉(zhuǎn)載請(qǐng)回復(fù)本微信號(hào)獲得授權(quán)，轉(zhuǎn)載時(shí)務(wù)必標(biāo)明來(lái)源及作者，否則追究法律責(zé)任。
