从地球走向深空：人类航天探索历程（一）

　出品：新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

　　撰文：汪毓明 中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长、中科院比较行星学卓越创新中心主任、中科院B类先导专项“类地行星的形成演化及其宜居性”首席科学家。

　　今天的话题放在这个时候讲是很应景，因为今年是我国第一颗人造卫星成功发射50周年。这里必须要提到一位非常伟大的科学家——赵九章先生。他是我所在的中国科学技术大学地球和空间科学学院（当时为“应用地球物理系”）的首任系主任，两弹一星元勋，也是“东方红一号”卫星的总设计师，是中国人造卫星事业的倡导者和奠基人。

　　前不久我国首次深空探测任务“天问一号”成功发射，标志着我国真正迈出了深空和行星探测的第一步。 “天问一号”的13个科学载荷之一星载磁强计就是由我们团队花了将近5年时间研制出来的。

　　我们的地球

　　地球是一颗非常普通但又不同寻常的星球。在这颗星球上，有高山流水、有花，以及其他各种各样的植物、各种各样的生命，还有人类的活动。但是从宇宙角度来看，在浩瀚的宇宙中，它只是一粒尘埃。

　　这张照片是“旅行者号”在1990年2月14日拍摄的。那天是情人节，这种日子大家一定不会忘记的，“旅行者号”也不会忘记。在它要遨游到太空更远的地方时，“旅行者号”往它的情人——地球，看了最后一眼。如果没有蓝色的圆来圈画，你可能根本找不到地球的位置。在浩瀚的宇宙当中，地球真的只是一粒尘埃。

　　自古以来，伟大的科学家、哲学家都会问这样一些“终极问题”：我们到底从哪里来，又将要到哪里去？我们是否孤独？去年诺贝尔物理学奖就有一半颁给了环绕类太阳恒星运行的系外行星的发现者。系外行星发现为什么这么重要，是因为它从科学上证实了孕育生命的行星在宇宙中并不唯一。不只有地球，不只有太阳系，这种行星确实存在于另外一个恒星系。系外行星发现之前，所有对地外文明的想象，其实都停留在想象中、停留在哲学层面，系外行星的发现第一次把它提升到科学层面。

　　这个话题也成为很多电影的主题，例如《火星救援》、《流浪地球》。地球非常独特，它处在太阳系的宜居带内，而同样处在宜居带的还有另外两颗行星，一个是金星，一个是火星。但为什么它们两个和地球不一样呢？地球未来会往哪个方向发展？金星上面有浓密的大气，非常炙热，可以说温室效应非常严重。火星因为质量相对较小，束缚不了那么多大气，大气逃逸很快，所以现在非常荒芜。这些是地球的过去，还是会成为地球的未来？

　　站在地球的角度去研究地球的过去、现在和未来，其实是比较困难的，因为样本孤立，而且整个人类历史在地球漫长的46亿年演化历程中非常渺小。如果把整个地球的演化当做24小时，人类的历史不到一分钟，人类的文明史只有0.1秒。更何况过去的5亿年发生了5次生命大灭绝，所以可以说人类文明史非常微不足道。

　　地球为什么会演化成现在这种宜居的状态？地球未来会走向什么方向？我们要到深空去寻找答案，因为那里有更多的样本可以供我们研究。下面这张照片是我非常喜欢的，它是我原来的一个本科生在内蒙古正镶白旗拍摄的。因为没有灯光污染，满天繁星十分清晰。这满天繁星也是自古以来多少人向往的地方，它推动着天文航天等科学领域的进步。

　太阳系探测历史

　　人类的深空探测活动有60多年的历史。上图中，每一圈都代表一次探测。其中人类去得最多的是月球，其次是火星和金星，还有太阳，其余为太阳系内的其他行星和天体。通过以往大量的探测，人类才能对太阳系以及行星的形成、演化有了非常深刻的了解。

　　第一站，先带大家去了解我们的太阳。

　　为什么要了解太阳？因为地球的能量主要来自太阳，太阳控制着整个太阳系的运行，包括运行在其中的行星的空间环境。作为宿主恒星，太阳以多种形式影响着我们行星，它的电磁辐射环境，粒子辐射环境，还有它的大气逃逸水平，以及束缚这些行星轨道的能力。所以太阳非常重要，是需要去了解的。

　　太阳对人类的影响，深远而巨大。如果大家对天文感兴趣，可能都会知道恒星都有一些所谓的活动周期，例如太阳黑子数每11年一个周期，这些变化就会影响到整个太阳系里的空间环境。

　　宇宙射线来自遥远的宇宙，进入太阳系就会受到太阳活动的调节，太阳活动比较强的时候，宇宙线辐射就会比较低，而太阳活动比较弱的时候，宇宙线通量就会高。

　　这里通过几个例子，大家就能看出，太阳绝不仅仅只影响我们周围的空间环境，它还深刻影响着地球的生态系统，也深刻影响了人类文明进程。

　对粮食价格的影响

　　2004年，两位科学家在学术期刊Solar Physics上发表了一篇论文，统计了英国伦敦中世纪小麦的价格，发现一个很有意思的规律：小麦每11年要涨价一次，而且涨价的间隔跟太阳黑子数的最小期吻合的很好，相位也吻合的很好。这就带来一个非常有意思的结论——太阳活动会影响市场上小麦的价格。这是什么原因呢？目前的一个解释是，太阳活动会影响行星际环境，从而影响宇宙线，进而影响我们地球上云雨天气等生态系统，从而影响粮食产量，并使价格出现波动。粮食价格的波动不是一件小事，它会影响到老百姓生活的稳定程度。

　　对洪水的影响

　　这个例子不是特别严谨，但是我觉得非常值得关注，所以在这里展示出来以供参考。如果大家去看长江流域或者中国境内的大水，两三年就会有一次，或大或小。当然这样的统计方式，是找不出任何规律的。如果查找长江全流域的特大洪水，在最近的100年里，全流域的特大洪涝灾害，公认的有这几次：1931年、1954年、1998年。把它叠在太阳黑子图上，非常巧合的是它们都在太阳活动极小附近。其中有一个太阳活动极小在1976年，那年没有特大洪水。

　　但之后我特别在1976年前后去查找后，发现有一个驻马店大水灾。。如果把这个补上，再加上今年，你可以看到，每两个太阳周期出现一次全流域的特大洪涝灾害。这背后表明了一个什么规律？地球的生态系统是不是也受到太阳活动的影响？而且不是说太阳活动爆发很厉害会对地球有影响，它不爆发对地球也有影响。如果说这真的是一个规律，下一步的问题就是我们怎么能够干预，什么样的应对措施能够减少此类太阳活动带给人类和地球的危害。这是非常值得去探讨和进行研究的。

对生命的影响

　　地球之所以特别，是因为地球上有生命。而酶是生命中不可缺少的一种物质。下图右下插图中，底下一行是几个酶的所谓的活化中心，你可以看到它的结构，这些结构我们在自然界里可以找到一些对应的矿物。像氢化酶的活化中心对应的矿物就是镍铁矿。结构非常像，但是这里的问题是：这些自然界的矿物质结构毕竟还不是生命物质，那它是怎么转化过去的？转化需要能量，而这些能量来自哪里？其中一个学说是来自宇宙线，宇宙线不停的轰击，会使得这些结构发生一些变化，从而在早期的时候形成了支持生命的一些元素。而宇宙线的变化也受到太阳活动的影响。

　　另外宇宙线还给了生命右手螺旋的DNA。我们身体内的遗传物质DNA还有RNA，绝大部分都是右手螺旋。为什么会是右手螺旋也是生命起源里一个非常有意思的话题。两周前，我碰巧看到一篇文章，讲述为什么DNA是右手螺旋。

　　在早期时候，左手和右手的都有，但是由于宇宙线跟地球大气作用，产生π子，π子再衰变产生μ子。而这些μ子是有着右手自旋的属性，而右手自旋的属性，容易跟右手的DNA作用。我们知道，生命的进化需要变异，所以作用多了容易变异，就容易进化。这也就形成了我们现在这种右手螺旋为主的生命体系。可以看到，我们现在的这些生命，包括人类的活动，其实在背后都受到了大自然的干预。