天文学|这艘飞得最远的太空飞行器，让我们得到一个非常悲观的结论太空|结论|飞行器

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主讲人：刘勇
中国科学院国家空间科学中心
空间天气学国家重点实验室
【天文学|这艘飞得最远的太空飞行器，让我们得到一个非常悲观的结论】“没有人会一直生活在摇篮里，人类总有一天要冲出地球，走向太空。”
我的专业为空间物理，经常会有人问我们，这专业和同样都是研究太空的天文学有什么区别，两者怎么划分，到底谁管哪一块？
我们其实可以这么来理解这个问题：天文学是一门非常古老的科学。可以说自从地球上有了人类，有一部分人开始抬头看向星空，天文学就开始了；空间物理是一门历史很短、比较现代的科学，它是借助现代的技术手段来研究太空的事情。

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尤其是当人类进入太空时代以来，我们就可以借助飞船，近距离观测那些我们以前只能在望远镜里看到的那些天上的星星。
所以我们跟天文学的分界是他们是能够看到，而我们不光能看到，还是真正要去飞，或者说人类的飞行器到哪里，空间物理的范畴就到哪里。
冲出地球，飞向宇宙
我个人在研究中非常关心、经常思考一些问题，或者说经常被人问到的问题——在茫茫宇宙，还有没有其他的星球上也和地球一样有生命的存在？
如果从学术角度分析，那就是在宇宙中有没有另外的星球和地球一样，有适合生命生存的条件？我们能够找到和发现它吗？如果地球遇到不可抵挡的灾难，我们能不能够在这种情况下逃离地球这座孤岛，移民到其他星球？
但我们不管是要去外星球寻找生命，还是要移民到其他星球，都需要利用航天来实现。
那么我们先从航天历史的角度来思考这一问题。
在明朝，有个叫万户或万虎的人，曾想过在一把竹椅子的后面绑上几根火箭，利用火箭的推力，把自己送上天，然后他再举个风筝就可以平安地落地。

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但这个故事的结局是个悲剧——很不幸，他没有成功落地。当时火箭就直接把他炸死了。
这个故事告诉我们：第一，我们人类很早就有飞向星空的梦想。第二，没有科学原理，我们的梦想无法变成现实。
而第一个把这个事情用科学方法来解释的人是牛顿。他通过研究万有引力发现，如果扔一个东西的速度越快，它就会落得越远。

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但因为地球是圆的，只要扔得足够快，这个东西一直会在天上飞，如果绕着地球，就是一颗人造的地球卫星。
速度得是多少？第一宇宙速度——7.9 km/s，每秒钟走7.9公里。这个速度非常快，差不多是高铁速度的100倍。用这个速度绕地球一圈，只需要一个半小时。
如此快的速度，牛顿当然实现不了，牛顿同时代的人也实现不了。
牛顿之后还出了一名非常著名的科幻作家凡尔纳。他认为可以把人或设备装在炮弹里，利用大炮发射上天。
后来我们当然知道这个方法行不通。因为大炮爆炸的那一瞬间，冲击力实在是太大，远远超过了人体和很多机械设备可承受的范围。
所以直到齐奥尔科夫斯基，这个问题才得以解决。齐奥尔科夫斯基是目前为止人类公认的航天之父。
很多航天院所都把他的一句话刻在墙上。“地球是人类的摇篮，而人类不可能永远生活在摇篮里。“或者说，没有人会一直生活在摇篮里，人类总有一天要冲出地球，走向太空。

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著名的齐奥尔科夫斯基公式是他通过研究气体动力学发现的公式。它解答了要达到牛顿所说的速度，需要装多少燃料，这个燃料要以多大的速度喷出去这样的问题。
但燃料的燃烧本身是一个非常暴力的过程，控制不好就可能造成像万虎那样的悲剧。所以在齐奥尔科夫斯基那个时代，他也没有办法把人送上天。
并且他那个时代的人们都觉得上天是不可能的事。所有关于航天的论文都被拒稿，不能发表。齐奥尔科夫斯基只好把他的想法写成了科幻小说。
其中一部著名的科幻小说——《在地球之外》，详细地讲述了一帮科学家怎么做火箭，怎么做宇宙飞船，然后乘坐宇宙飞船，伸向太空，探索月球和小行星，最后平安地回到地球。
可以说它不仅仅是科幻小说，还是一个伟大的科学构想。
齐奥尔科夫斯基当时没有能力实现这个科学梦想，但他的学生科罗廖夫成为了第一个造出人造地球卫星，并将其成功发射上天的苏联科学家。

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在这之后，他还把人类历史上第一个宇航员，第一个太空人——加加林也成功地发射上天。
我们都知道加加林是人类的第一个宇航员，是人类探索太空的英雄，但科罗廖夫才是这个英雄背后真正的功臣。

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同样在第一个登月的宇航员阿姆斯特朗身后的英雄——冯·布劳恩也深受齐奥尔科夫斯基的影响。他的笔记本里记录许多有关这位航天之父解决问题的想法。所以，这是人类在一脉传承下从地球到登上太空的壮举。分页标题
寻找地球的替代星球
通过回顾，我们可以认为人类登上太空大概经历三个阶段——牛顿提出科学原理，我们需要飞得足够快来脱离地球；齐奥尔科夫斯基提出合理的技术路线，我们要用火箭把人或设备送上太空；最后再由伟大的科学家科罗廖夫和冯·布劳恩将梦想落成现实的工程实施。
完成这些后，我们就发现不仅要去月球，还应该像齐奥尔科夫斯基指出的那样，去进一步探索太空中的其他星球。

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我们的第一个目标就是太阳系中的其他行星，包括由地球往外的木星、土星、天王星和海王星。到目前为止，我们已做了很多的探索。这一幅图比较复杂，基本上一个圈就对应着一个探索计划。

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我们看到去月球的次数是最多的，还去过木星、天王星、海王星。
现在回到最初的问题，如果要冲出地球孤岛，我们的飞行器必须要飞得足够远。而目前我们飞得最远的飞行器是哪一个？
从1977年发射到现在，已工作43年的旅行者号。它包括两艘飞船，旅行者一号和旅行者二号。

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他们都是1977年出发，约两年后到达木星，又约两年后抵达土星，从此分道扬镳。
旅行者一号离开了黄道面——所有这些行星都绕着太阳转的平面，往上飞。而旅行者二号留在黄道面继续探测天王星和海王星。

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事实上，不管是旅行者一号，还是旅行者二号，都只是轻轻地从旁边飞掠过去，真正观测这些行星的时间是很短的。
事实上我们所说的太空并不是真正意义上的真空，它还充满着各种各样的物质。其中有一种物质就是太阳风。
而在旅行者号离开这个行星的时候，行星与行星中间有太阳风。

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太阳是一个巨大的火球，可以把它想象成一锅烧开的水，总有物质要从温度很高的地方往外冒，就像水蒸气要从开水中往外冒一样。太阳风就是像这种从火球里头往外冒的水蒸气。
太阳风的范围很广，但是旅行者一号和旅行者二号目前为止都已经飞出太阳风的边界。这张图左边的黄色部分就是太阳风之外的恒星际风。蓝色的部分是太阳风覆盖的范围。

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旅行者号已经飞出了太阳圈以外，而不是太阳系以外。天文学上定义的太阳系是太阳引力控制的范围。直观点说，就是绕着太阳转圈的都算太阳系。
而绕着太阳转圈的，除八大行星以外，还有离太阳1000个天文单位以外的奥特星云。
它也绕着太阳转圈，是太阳系的一部分，一直延伸到10万个天文单位以外。

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旅行者号飞了40年，目前飞了大概100个天文单位，如果要飞到10万个，至少要4万年。
即使考虑人类在接下来的十年二十年技术进步速度提高十倍——4000年，再提高十倍——400年，但400年也受不了，我弄个飞船肯定是希望在有生之年能看到它飞出去。
所以这里就有个非常悲观的结论：以现有的技术，我们没有办法飞出太阳系。那么我们就先在太阳系内部找生命可能生存的星球。
除了飞掠这些行星的飞行器，还有一些可以绕着这些行星转圈，进行深度长期的观测。例如伽利略号，但它的整个飞船历程十分不顺。

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1986年，按计划，它是要搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机上天，原本已经拖到发射场准备发射，但赶上挑战者号航天飞机爆炸，所有的航天飞机都必须停飞，伽利略号就发射不了。
几年后，它可搭乘航天飞机上天了，但又赶上环保主义者担忧万一控制不好携带核燃料的伽利略号，在回到地球时发生爆炸，剧毒的核燃料会造成人类无法挽救的后果。

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当然后来这个事被平息下去了。科学家有足够的担当，在设计一个项目时不能保证它百分之百成功，但是会尽最大的努力来实现百分百的成功。
如果真的是有非常大危险的话，科学家是宁可不做的。
伽利略号核燃料爆炸泄露的问题是可控的。因为我们把核燃料层层包裹住，就算是它撞到地球上，最终的结果也是它炸了，但是核燃料还是不会发生泄露。
虽然伽利略号的整个历程非常艰苦，但是还是成功地抵达木星，并对木星的卫星都进行了很好的探索，例如木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。

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地球外生命存在的可能
伽利略号很详细地研究了木卫一上的火山。有人说火山其实是生命的希望。

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就某种意义上讲，它是个能量的来源。因为太阳光在木星非常弱，或者说那个地方的太阳光能源不足以支持生命的活动，所以如果有其他来源，就说明有可能有生命的存在。
第二个是火山其实说明这个星球还在演化的过程中。我们都知道地球上的生命也是演化出来的。地球也不是从它诞生时就适宜生命生存。整个生命的产生到最后形成人类的存在，都是演化的结果。
除了能源和演化，我们还发现另外一个生命生存非常关键的因素——水。伽利略号在欧罗巴，木星的第二颗卫星上找到了水。
木卫二表面有一层冰的壳，但在冰的下面，就像南极一样，上面是冰山，下面是很大片的地下湖泊。

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如果将木卫二与土卫七和月球进行比较，我们发现木卫二的表面像鸡蛋壳一样非常光滑。而土卫七和月球上保留了这亿万年来被小行星撞击的大大小小的伤痕。

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小行星就这么偏爱土卫七和月球，就不去撞木卫二？不是的，木卫二肯定也被撞击过。它的表面之所以光滑，是因为它底下是流动的液体。一旦被撞出一个坑后，它一流动，这个坑就变没了。
就像我们淌过一摊水，过去之后，这个水面又恢复了平静。这样大大小小的撞击坑，就不见了。
通过下图可以发现在火星和木星之间，有一个巨大的小行星带。里面分布着大大小小的许许多多颗小天体。

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从长时间来看，它们其实是地球，或者说在太阳系的范围内物质交换的媒介。
说不定就是一枚带着生命种子的小行星，来到了地球。地球才有生命，开始繁衍。
也说不定哪一天，因为小行星的撞击，有一块小小的地球陨石也带着生命的种子来到了太空中，也许经过长期的演化，就存在太阳系中的某个角落。
虽然前面分析了那么多，得出一个非常悲观的结论——以现有的技术，我们没法飞出太阳系，但我最后还要说，两百年后，我就要飞出太阳系。
大家可能觉得很惊讶。但我认为科学家在利用现有的技术推算未来时，往往是非常保守的见地，就好像齐奥尔科夫斯基在推断人类何时能够飞上太空一样。
他在二十世纪初的时候预言人类在二十一世纪才能够开始探测宇宙和太空，但是事实上在1957年第一颗人造地球卫星就上天了，人类进入了太空时代。
所以，我们也不能排除约200年内造出能飞出太阳系的飞船的可能。一方面，我们寄希望于技术的进步，甚至是一些原理性的进步。另一方面，在宇宙中的生命是必定存在的。
我们如果能够飞出太阳系，兴许就能够找到生命，并且发现一个让地球生命也能继续繁衍、继续生活的乐土！
来源：格致论道讲坛

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