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2020一起感受前沿科學的魅力

發布時間:2020-01-26 13:05:38 已有: 人閱讀

  新年伊始,在清華大學,一場別開生面的科普活動受到社會廣泛關注。中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠院士、清華大學生命科學學院院長王宏偉、騰訊量子實驗室負責人張勝譽等科學家盤點天文學、生命科學和化學、數學物理學等科學領域2019年度成果,講解探月工程、冷凍電鏡、量子物理等前沿科學突破背后的故事,本期與讀者分享。

  對于我們的工作,國家批準了三個任務。在第一個一百年到來之前,要發射探測器,著陸到人類從來沒有去過的月球背面,要著陸在月球上把樣品采回來,我們將進行首次火星探測。到21世紀中葉,中國將要建設一個太空強國。如此艱巨繁重的任務,我們目前僅做了一點關于月球和行星的探測。

  首先介紹嫦娥四號,這是在嫦娥一號、二號、三號的基礎上,國家批準我們要降落到人類從來沒有到達過的月球的背面。人類有史以來一共在月球上著陸了20次,其中美國進行了11次、蘇聯8次,我們的嫦娥三號也降落下去了,但這20次全部集中在月球正面,所以嫦娥四號是人類首次著陸到月球背面去。

  到月球背面之后有一個最大的難題,就是看不見、不能通信。200多年以前,法國數學家研究出月拉格朗日有五個引力平衡點,兩個引力平衡點是在小物體的那面,只有一個辦法,發射一個中際星到拉格朗日第二點上,看能不能把月球的背面跟地球聯系起來。我們發射了中繼星,到達月拉格朗日后打開網狀天線,這樣直接可以把地球以及月球聯系起來,可以指揮在月球上怎么樣著陸、怎么樣工作,把探測的數據向地球報告,地球就可以及時給他們以指令,這樣就完全變為一條暢通的鏈路了。

  第二個難題是如何著陸。嫦娥四號發射以后從地球到達月球,然后被月球引力捕獲了之后要調整軌道,飛到著陸區上空,然后朝著陸區著陸下去。但在月球上著陸不能用降落傘,因為月球表面是超高真空,大家都知道一個東西落下來重力加速度越掉越快,最后砸得稀爛。只有一個辦法,在這個著陸器下面安一個發動機,你往下掉我就往上推,慢慢掉下來。但還有一個問題,月球表面這45億年以來砸了不知道多少個坑,到處坑坑洼洼,著陸器四條腿降落在月面上,一條腿掉到某一個坑就會倒下去,月球車爬不起來前功盡棄。我們有非常高級的人工智能計算機,慢慢落下來,一邊落一邊拍照,立即分析判斷哪里可以著陸。最后拍了3764張照片,直到有一張照片可以落了,就按照人工智能的指示落下去了,安安穩穩地著陸到月球的表面。

  第一,人類得到了很多來自于宇宙、銀河系、太陽系的科學信息,但由于地球的電離層干擾,我們收不到長波的電磁波或低頻的電磁波。這些信息在月球正面也收不到,要知道這些科學信息,只有一個辦法,跑到月球背面去。

  第二,月球的歷史正面最古老是40億年,早于40億年更古老的歷史不知道,我們要到月球背面,落到最老的石頭上把月球的歷史全面歸述。

  第三,人類從來沒有到過月球背面,中國跟歐洲很多國家合作研制了幾臺儀器,我們一定要測出來月球背面的表面環境、近月空間環境,這些全部是人類從來不知道的,我們現在已經研究出很多的成果,正在逐步發表。

  嫦娥四號已經工作了整整一年,取得了大量成果。按照計劃,2020年底我們要到月球上采樣返回。我們挑了一個地方,離阿波羅載人登月的地方很遠,一千多公里以外的,我們落下去之后,用電鏟采樣加上自己打鉆取樣等,把所有的樣品裝到錐形艙里頭。但是我們回不來,在月亮上,沒有那么多的燃料把它送回來,我們只要它飛上去,月球空間站跟飛船自動會對接,最后這個飛船把它帶回地球,這個時候可以用降落傘很安全地落在內蒙古的四子王旗。

  2020年,我們還要把中國的火星探測器送上火星,路途要飛七個月左右,將近四億公里。我們到火星是為了全面地探測火星,這是中國頭一次去。中國的科學家曾經做過一個工作,用火星掉下來的石頭在北京的實驗室做了大量分析,最后證明火星曾經有過生命,這是很了不起的一件事情,我們在歐洲發表了這一成果。2014年12月2日,美國的好奇號向全世界公布了他們探測的結果,證明火星曾經有過生命,他們的記者招待會是2014年12月16日,比中國晚了半個月。這件事情人們仍然承認是中國首先做到的。但火星現在究竟有沒有生命,以前有過什么生命形態并不清楚。另外全世界的科學家都有一個共識,改造火星,讓它變為第二個地球。經過了38億年生命的逐步演化,到最后的200萬年才出現了人類,而且具有智慧,建立了高度文明的社會,所以我們一定要保護人類,讓人類的未來更美好、更幸福。

  這樣的話,我們完成這三次任務,到了2021年,我們以優異的成績去祝賀我們偉大的第一個一百年。我們同時又制訂了一個十年規劃,中國要探測整個太陽系。探測什么呢?難道浩瀚太陽系只有地球有生命,別人都沒有?哪怕細菌也是了不起的事情,如果可以發現的話,畢竟是生命。另外,我們要研究太陽系的起源以及演化,其次我們還要利用太陽系各個天體的特殊資源和能源,為人類社會的持續發展作出貢獻。

  我們還要預防地球遇到突然襲擊,比如小天體撞地球,再出現類似恐龍滅絕這樣的事情。地球附近有密密麻麻的兩三萬個近地行星,直徑大于一公里的有800個,一撞下來又是巨大的災難。很多小行星走得又不太規矩,所以我們一定要選擇幾個小行星,跟它伴飛取樣,搞清楚如何規避近地小行星撞擊地球。

  我們還要去木星。木星在八行星當中最大,它的體積相當于13146個地球堆起來的大小。它有79個“月亮”,所以我們選了兩個,第一個是木衛四,它表面上有冰,里面有海洋,海洋里面又有火山噴發。按照這個條件,有液態水,有能量,也有一些組成生命的元素,一定可以有生命的誕生,所以科學家們期盼著在木衛二的海底可能有生命。

  目前全世界興起了一股浪潮,就是太空資源的開發利用。太空資源主要是礦產資源、能源資源,比如月球土壤里面有大量的氦3,嫦娥一號計算的結果大概至少可以確保滿足全人類一萬年的能源需求。對月球包括小行星的資源能源環境進行開發利用,對于支持人類社會的有序、健康幸福發展將會發揮重大的作用。所有這些,包括改造火星,是科學家的夢想,但所有這些寄托在年輕人身上,希望年輕人擔當責任、完成使命,成為未來建設太空強國的擔當者。

  人類在過去的幾百萬年一直用肉眼觀察周邊世界,但實際上,我們一直對在更加微小的尺度上生命現象是如何展現的很感興趣。我們希望可以看得越來越精細,對生命奧秘有更加精細的了解。

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