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科學課科學連線
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科學連線第四期:地球、火星與空間探索
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2019-09-16 17:24:45

演講科學家:蔣紅濤(Jonathan H. Jiang),美國加州理工學院噴氣推實驗室工程與科學部首席科學家

特邀嘉賓:朱進,北京市科學技術研究院科學傳播中心首席科學家、北京天文館館長、北京古觀象臺臺長、國際天文學聯合會小天體提名委員會委員。

時間:20181223

地點:中國科技館206報告廳

 

科學連線是由中國數字科技館和《環球科學》雜志聯合推出的前沿科學系列講座,主辦方將邀請世界知名科學家通過視頻連線或現場演講的方式,為現場觀眾帶來精彩演講。同時,主辦方還將邀請一位國內學者作為特邀嘉賓出席,與國外知名科學家對話,幫助觀眾更輕松、更深入地理解前沿科學。

每一期活動結束后,我們都會上傳科學家的演講視頻,整理科學家的演講實錄,供廣大科學愛好者觀看和閱讀。下面是科學連線第期的演講科學家蔣紅濤教授的演講內容。

 

主題演講部分:

非常感謝。大家如果要是能夠聽得清楚的話,舉下手,我看看是不是能聽清楚我演講。非常高興,特別是朱進館長曾經在大學里頭是我的同學。我實際上11月份剛剛去過北京天文館,所以說還是很熟悉。今天非常榮幸跟大家分享一下我們現在搞科研這些情況。我這個題目可能比較大,叫做地球、火星還有空間探索。首先我要說一下,因為大家都很關心洞察號探測器。實際上我剛剛從控制室回來。現在洞察號實驗還沒有正式開始。最近一段時間,在飛機起飛之前,飛行員要檢查一下,看看這個飛機是不是各個地方正常。我們把所有的儀器都給仔細檢查了一遍,而且給自己拍了好多照片。這個洞察號探測器實際上是首次人類首次研究火星內部結構的一個探測器。它是今年55號發射的。

在發射之前,實際上我們用了很長時間,大概是三五年的時間,不僅制作這個儀器、設計這個儀器而且做各種各樣的測試。這個你可以看到,這個是我們在實驗室在發射之前,大概在201712月份的時候。你看這個地面是模擬火星表面這個地面結構,也有石頭、山丘等等。所有的儀器都要認真地檢測一遍。當時非常忙。這是一張白天的照片。第二張是一張晚上的照片。我們白天黑夜都是干。你可以看到,這個是我們把這個星震儀放在地面上看它是不是能夠在地球上正常工作。加州地震比較多,各種各樣的小地震比較多。通過這個檢驗,要保證這個儀器確實能夠正常工作。

剛才我說了是55號發射。55號發射的時候大概地球離火星的距離,你看中間這個藍的是地球,這個是火星,大概是5000萬公里。但是發射的時候就像打靶、打飛機一樣,你不能瞄準這個飛機,因為這個火星是在轉的。火星圍繞太陽轉一圈大概是兩個地球年。這個地球圍太陽轉一圈是一個地球年。所以我們發射的時候是沿著這個軌道進行發射的,英文是TCMTrajectory Control Maneuver,是做軌道調整。也就是說我們發射以后要不斷地做軌道調整。6個月之后,也就是半年之后,地球已經飛到這塊來了。火星大概是在這個地方,所以說這個軌道你要事先算好。我們這個實驗室是反復計算而且從靠近的時候。在逐漸靠近的時候,要逐漸做軌道調整。越靠近的時候,軌道調整的次數就越多。要擊中火星非常不容易,因為你從地球上看火星它就是一個點。但是這在天體力學上可以精確計算。而且這次發射和過去的還不太一樣。就像現在好多飛機在飛行的時候它都有攝像頭。我們這個飛船在飛行的時候,它也有攝像頭。但是離開地球之后,大部分時間你把攝像頭打開都是一片漆暗,就是一片黑暗,其實什么也看不見的。快要飛到的時候你看下面一張圖。這個是在飛船上一個攝像機拍的。你看中間這個這隱隱約約的點就是火星,離火星大概還有兩個月的距離的時候你就能拍到。再下面一張圖,這個是馬上就要進入火星軌道了。離火星大概還有幾天時間。這個攝像頭,右邊這個是太陽能柵板,這個是火星。再下面這張圖,這次我們還有一個新技術。這個新技術是什么呢?這個母艦,飛船的母艦,它帶載了兩個小的子艦,叫做Cubesat,立方體星。下面這張圖你可以看得更加清楚。這個立方體星實際上是不帶動力的。它沒有噴氣推進。快要進入大氣的時候就把這個立方體給扔出來。它的唯一作用是,不斷地跟母艦聯絡之后,能夠精確知道母艦的方位。學數學的都知道,如果有三個點就可以精確確定它的方位,這是第一次。過去我們在火星表面著陸的時候,實際上也可以計算方位,但是是依靠在這個火星軌道上旋轉的火星衛星,也就是人造衛星來做的。這次是通過這個兩個子艦放出去之后,可以在著陸過程中,每時每刻都可以非常精確的知道它的方位。大家看電視的時候也是看,這是著陸之后,1126號著陸之后拍回來的第一張照片。第一張照片里可以看到鏡頭非常臟,因為著陸的時候上面蒙蓋了好多塵埃。然后大概花了一天多的時間把這個鏡片給它清理干凈。清理干凈之后,這個是一天之后發的一張照片。可以看到非常清晰。

下面我們把洞察號所載儀器,概詳細介紹一下。這個是洞察號的著陸器。這個著陸器,我先從這邊開始來講。這里有兩個小的天線。這兩個小的天線,這邊一個,這邊一個。這一對實際上是旋轉方位和內部結構測定天線。它通過無線電傳播的微擾擾動,也就是說火星像地球一樣它會自轉,同時它也會圍繞太陽進行公轉。但是如果它的內部不是像死板一塊,比如說它有殼、有幔、也有核的話,就像雞蛋一樣,它會有輕微擺動。通過對這個擺動方位測定研究,對擺動振幅的研究,我們能夠推算出來火星的內部結構。這就是這一個。

再往左邊看,這個是星震儀。星震儀就像一個聽診器,給它放在火星表面之后,放在地面之后,靜靜地等。如果火星像地球一樣,它是活動的,它經常有些像地震的,那么通過對地震波傳播研究也可以知道火星內部結構。這個比如說像地球一樣有地殼,還有地幔、地核。假如要是在另外一個地方,有一個地震波傳過來之后,這個地震波會分成好幾波。它這個到達速度、到達的時間都是不一樣的。它有直接到達的,還有反射到達的,還有衍射到達的。它如果有殼,一層層的,它不同層面會進行不同的反射,所以它到達速度不一樣。所以這就是星震儀。

再往上的這個地方可以看到有兩個攝像頭:一個攝像頭的是在這個機械臂上,還有一個攝像頭是在這個底盤上。這樣的話所有的地方都可以看得一清二楚。再往上這是機械臂,這個機械臂是360度各個方位都可以看到。然后上面有一個像杯子一樣的東西是溫度和風力傳感器,這就像我們氣象站測風力和溫度基本上原理是一樣的。再往這邊看這是太陽能柵板,有兩個太陽能柵板,吸收太陽能變成電能,提供能量的。最后這個叫做熱流探測器,熱流探測器實際上是一個管子。這個管子分節,探索溫度,它要逐漸插到地下五米處。所以說是在5米、4.5米、4米,在不同地方可以測量這個溫度差別。這樣的話,測量時間,還有溫度,可以測出它到底有沒有熱量流動。

剛才我說了現在是在做準備工作。在做準備工作的話,最主要的準備工作就是照相,到處照相。可以看到這個是機械臂照的一個像,這個是幾天以前,這個是太陽能柵板。這個像杯子一樣的,是溫度和風力測定器。

這張照片,這個是地震儀,這個是地震儀的蓋子放在旁邊。這個機械臂在移動的時候,在底盤上有相機也在照相。這是另外一張照片,這是側面,也是在那邊平臺的一個照片。

實際上我們大概照了二十多張,選了十一張,給自己做個selfie,就像給自己拍一個自拍像一樣。在照相過程中,在127號的時候,這個星震儀不僅可以探測地震波,它也可以測到風吹過探測器的聲音。這個是火星表面刮風的的聲音,這是真實記錄下來的聲音。下面這張照片是最近的 19號,我這邊實際上是22號大概是前天。前天的時候機械臂終于把星震儀放在地面。這個放在地面,實際上是今天上午10點,我們已經把那個蓋子給蓋上了。也就是說從現在開始,今后的幾個星期如果有星震就會報導。大家注意新聞啊,如果要是聽到火星上面像地震一樣,就無論大小,小的也行,大的也行,只要記錄到了這就是非常有意思的事情。這也是拍一張照片。這個的話是幾天之前我們選了十一張。它拍了各種各樣的照片拼在一起,這就是一個自拍像,就好比你拿手機拍自拍像一樣。它這個儀器比較大,而且它機械臂并不是非常長。所以你這個自拍像并不是一張就能拍出來,我們選了十一張拼在一起,拍了這么一張自拍像。關于洞察號我先講到這里。在今后幾個星期到幾個月一兩年的時間內,我們要有新發現馬上會給大家做報道。我下次再到北京天文館要有什么新發現,我可以當場告訴你們。

接下來的話,我想給大家介紹一下我們這個實驗室。剛才說了這個是洞察號是我們實驗室控制的,就是說這個實驗都是我們實驗室來設計的。這個實驗室實際上離我家非常近,我每天大概是走路上班,而且旁邊還在一個徒步線路,可以爬山。下次你們到洛杉磯訪問的時候,歡迎到我們家來玩,我可以帶你去看。這張照片實際上是我拍的,就在我們附近。就拍了這么一張照片。我現在所在的位置實際上是我帶學生的一個辦公室,是在七樓。我現在就在這個窗口里邊,后面這個窗口,這個窗口就在這里。我每天走路上班的時候,快到的時候可以看到一個石碑,上面是噴氣推進實驗室,這個實驗室實際上是屬于加州理工學院。美國宇航局有好多實驗室,都是私立或者公立大學來管理。

等于說美國宇航局提供經費,加州理工學院管理這個實驗室。這個實驗室創建是在1936年。剛我說加州理工學院來管理這個實驗室,加州理工學院非常有名。下次你們來的時候,可以到加州理工來參觀,特別是中午可以帶你去吃飯的時候,經常,基本上每次去,你都可以看到一個諾貝爾獎獲得者。這個是常有的事情。這個加州理工學院,我們總共拿了三十九塊諾貝爾獎。這個實驗室最出名的是搞實驗物理,實驗科學。這個物理包括化學、實驗化學,實驗科學。我們這個實驗室拿到第一塊,1923年羅伯特·密立根。學物理的都知道,有密立根油滴實驗。這就是密立根。去年2017年,有兩個諾貝爾獎獲得者拿了物理學獎。他們是引力波,發現引力波。這也是這個也是實驗物理上的一個重大發現。這個搞科學有兩種方式,一個是理論研究,還有一個是實驗研究。加州理工學院最擅長的,包括我們實驗室,是搞實驗研究。這個理論研究的話,你可以去普林斯頓。在普林斯頓有一個高等研究院(Institute of Advanced Study)。那是愛因斯坦呆的地方,那是搞理論研究最出名的。

這個實驗室剛才我說的是1936年。實際上1936年并沒有這么多的設備。這張照片據說是錢學森拍的。這個在1935年、1936年的時候,只是一幫學生喜歡搞火箭實驗。開車,開個大概十公里左右,到一個荒無人煙的地方做火箭試驗。你看這張照片,這些都是學生,中間這是一個教授。中間這個管子是一個小火箭。他們在做這個火箭實驗,那時候非常簡陋。剛才我提到的這張照片,據說是錢學森拍的。錢學森如果你要到加州理工學院那個網站上你可以找到department of aerospace找到錢學森的生平。錢學森曾經是加州理工學院教授。同時,他也是噴氣推進實驗室的奠基者之一,非常有名。在1958年的時候,當時美國發射了第一顆人造衛星,是我們這個實驗室發射的。

這個人造衛星是我們實驗室研制,而且是第一次在蘇聯195710月份發射之后美國的第一顆人造衛星。是試了好幾次都是失敗的。然后我們實驗室說:呀別試了,我們來發射一個。這個當時是130號,也就是1958130號發射升空。聽講觀眾席上我剛才掃了一眼,基本上都是年輕人。我看你們大概都是,至少是八零后,可能還有好多九零后,零零后、一零后可能都有。可能你們沒有注意到,在美國的五六十歲的人,人人都知道我們這個實驗室。我大概簡單介紹一下,看下面這張照片。在1958年的時候,我們實驗室發射了第一顆人造衛星。在1961年的時候,我們就有探測器去了月球。1962年的時候有探測器去了金星。1964年的時候有探測器去了火星。1966年的時候,有一個軟著陸,第一次在月球表面軟著陸。這個著陸器是我們實驗室生產的。1976年的時候,第一次在火星表面軟著陸成功。這也是我們實驗室生產的。

最有名的是1977年發射了一個旅行者號飛船。當時發了兩個,一個是旅行者一號,(另一個是)旅行者二號。這已經飛出太陽系了。1989年的時候,曾經我們有一個伽利略號飛船,是探測木星的飛船。1997年還有一個土星飛船,1986年是一個木星飛船。在1990年的時候,還有一個是探測器,專門探測太陽。所以在五六十年代,基本上每個星期,看報紙頭版頭條,都是加州理工學院。老一輩的人他們都記得非常清楚。如果到我們加州理工學院去上網的話,可以看到我們叫做vision,這個中文我不知道怎么確切翻譯。(翻譯成)我們的目標、遠見。你這個實驗室到底是干什么,是什么目標,什么遠見。你可以看到我們是探索空間。是為了科學發現,是為人類造福。這是我們的vision這個實驗室實際上是非常開放,所以說,在座的聽眾,在座的小朋友愿意到我們實驗室來參觀的,下次你們到了洛杉磯之后可以跟我聯絡。我可以讓我一個學生把你領到實驗室來參觀。

這張照片大家可以看到,這大概是三年以前有一個冬令營,到洛杉磯來玩,他們就到我們實驗室來參觀了一天。這是辦公樓最底層,我們叫做大廳的地方。我們實驗室有好多車間。這個車間是生產衛星設備,生產衛星發送機等等。你可以看到我們實驗室的博士后都在,這個工作場景,你都可以看到。這個是旅行者飛船的一個模型,跟真實飛船是一模一樣的。因為我們這個實驗室的規矩是,你每發射一個衛星,發射一個飛船,你要做一個拷貝。這個拷貝必須一模一樣。因為你一旦發射之后,它離開地球之后,你就看不見摸不著了。萬一出了什么事情,工程師就會研究這個拷貝,到底怎么修復它。你唯一能夠修復的方式就是通過送個指令,就像你iPhone update似的,你upload一個軟件,一個指令。這個比較近,你可以看到,這個是原子能發電器。這邊都是攝像頭。上面有個天線,是跟地球進行通訊聯絡的連線。它還帶了一個盤。這個盤是70年代的技術,這個儲存量并不是非常大。但是它記載了大概一百多種語言,還有聲音、歌曲,都是來自地球的。還有包括我們地球人的一些基本科學,也放在這個上面。這個將來如果要是有機會,我可以專門給你們講一次關于旅行者號飛船的故事。在今天我來不及多講。它已經飛出太陽系了。一旦如果它要是這個失去聯絡之后,將來有可能在很久很久的將來,被外星人截獲。被外星人截獲之后,他們就會理解到,哦,還有個地球,有個太陽系。這個大體什么信息他大概會知道。咱們再往下看。這個是我們實驗室的火星著陸器。世界各地只有我們這個實驗室能夠讓探測器在火星表面成功著陸。這個是我們一個生產車間。這是我們的控制室。這個控制室大概有十幾顆人造地球衛星,還有十幾個太陽系探測器。就說是在太陽系當中各種各樣的探測器都是通過這個控制室控制的。

在控制室外面有個主樓。主樓這個門廳,你看,這個小朋友,他們專門跑到這里來照張相。為什么跑到這里來照相呢?這上面有個標語。這個標語是我們實驗室的座右銘。這是什么意思呢?Dare mighty thing,做宏大的事情,做偉大的事情,做前人沒有做過的事情,這是我們實驗室座右銘。這也是我們科學家和工程師的定義。好多人都會問。科學家和工程師是干什么的。作為一個科學家和工程師,你所要做的,就是做前人沒有做過的事情,做偉大的事情,做宏大的事情。這個是我們實驗室非常有名的座右銘。

我們實驗室還有一個特征,就是我們實驗室的移民非常多。像我,我就是從中國來的移民。據我們實驗室統計,53%的我們實驗室的科學家都是移民,都不是美國土生土長的,包括我們實驗室主任。實驗室的前任主任。Dr. Charles Elachi,他是黎巴嫩移民,是黎巴嫩出生、讀書,后來到美國來讀博士。他在我們網站上說,他說,你從哪兒來,從歐洲來,從非洲來,中東來,亞洲來,沒關系。你是什么膚色的也沒關系。什么有關系呢?是你的大腦和你的思想,是最重要的。這叫做美國精神。美國為什么在空間領域里遙遙領先,這是它的原因之一。這大概是兩個星期以前另外一波學生,這是從臺灣來的學生,來參觀我們的實驗室。

這是旅行者1號。我順便說一下這個旅行者號,大概是兩個星期以前,大家可能看到新聞,這個旅行者二號已經也飛出太陽系了。旅行者一號大概兩年以前已經飛出太陽系了。旅行者一號現在離地球,一個billion是十億,210億公里。它的飛行速度大概是每小時56000公里。它在飛向一顆恒星。他要飛到這個恒星大概有17.6光年。它大概還需要四萬年才能回到這個恒星。旅行者二號現在離地球的距離大概是160億公里。它的飛行速度大概每小時6萬多公里。當然,它的軌道是一個弧線。這么出去的。他還需要大概296000年的時間才飛到天狼星。這個天狼星離地球的直線距離大概是8.6光年。所以說,我們這一代可能看不到了,大概是我們的子孫、子子孫孫,在未來,如果人類還能存活的話,就能等到這一天。

下面的這張照片也非常有名。這張照片你看在這中間有一個非常小的一個蒼白色的點,這是地球的照片。這個是旅行者號在冥王星軌道外面,快要飛出太陽系的時候回頭最后給各個行星拍張照片。這是地球照片。從這張照片上感觸非常深。你可以看到這個地球非常非常小。無論你是從從哪來的,你是從中國來的也好,你在美國也好,你在歐洲也好,在中東也好,在亞洲也好,在非洲也好,在南美洲也好,大家都在這個點上。就是無論什么都在這個點上。目前從我們對物理學的理解,大家可以看到好多科幻電影,星際大戰,到星際旅行。而目前我們對物理學的理解,星際旅行還不太可能。既便我們以非常快的速度接近光速飛行,目前在技術上還是不太可能。從這一點來看,到星際旅行、星際移民,基本上還是不可能的。所以說我們現在還是被束縛在這個小小的塵埃上面,而且我們資源有限。這就是為什么我們要保護我們的地球,保護資源。將來等到物理學進一步發展之后,你們在座的聽眾可能有非常聰明的將來會成為物理學家,有可能發現有新的物理突破,星際旅行成為可能了,但是這個需要時間。可能需要一百年時間,也可能需要二百年時間,也可能需要一千年時間。所以在這一天到達之前,這個地球要非常好的保護住了。

好多人都認為這個星際旅行非常有意思,但是現實的話,并不是非常有意思。至少照我們現代的技術來看,比如說這個旅行者號已經飛出太陽系了,但是基本上旅行者號它為什么現在不拍個照片傳回來了呢?因為現在我們還跟它有聯絡,這個照片什么都沒有,一片黑暗。它現在是在黑暗當中。這個恒星與恒星之間的距離非常遠,離我們最近的大概光都要走大概4.3光年。在這個之間是一片黑暗。剛才我說到我們驗室生產的這個行星探測器。大家可能聽說過哈勃空間望遠鏡。

這個望遠鏡,學天文的都知道,望遠鏡有物鏡和目鏡。這個哈勃空間望遠鏡那個目鏡是我們實驗室設計生產的。這個是目鏡,同時也是一個相機,專門用來拍照。這個哈勃望遠鏡照了好多照片,你上網可以找到很多照片。我隨便拿一張照片。這張照片實際上是在天空的一個角落里拍的一個恒星照片。這個曝光時間大概是十個小時。你可以看到滿天星斗。這每個亮點都是一個恒星,有大有小。有大有小,也許它是有的距離比較遠,有的距離比較近。顏色不一樣,發藍、發白的可能溫度比較高,發黃、發紅的溫度比較低。如果你能夠飛到非常遠的地方看我們的太陽的話,我們的太陽是一顆黃顏色的恒星,因為它的溫度,根據黑體輻射,發光最強是在黃光波段。它的表面溫度大概是5700個開爾文,大概5700度。這是我們的太陽。但是觀測恒星實際上在地球表面也能看到。但是你在北京可能看不到,因為城市燈光太嚴重。如果你到遠郊區去,晴朗的天空之下,你就能看到星星。你要仔細觀測的話,就會發現星星的分布是不均勻的。有些地方星星比較密,有些地方星星比較稀。這是因為什么呢?這是因為我們在一個恒星系統,叫做銀河系。我們并不是在它的中間,我們是在銀河系的最邊上。所以你往某一個方向看,星星特別多。往另外一個方向看,星星特別少。剛才你看到這個照片是星星非常多的一個地方。如果你拿這個望遠鏡,對準一片黑暗天區。比如說你對準這個地方,在星星比較少的地方,你長時間曝光,曝光十天比如說,就是下面的這張照片。這一張照片就是在一個星星比較少,長時間曝光,你可以發現有好多非常有趣的現象。在這個上面每一個光點,它不僅是恒星,而是星系心系,是河外星系。每一個星系就像我們銀河系一樣。我們銀河系大概有三四百個billion。每一個billion是十億。四萬億顆恒星。這個星系的話,在可觀測的宇宙范圍之內,星系的數目超過一百個billion,超過萬億。每一個星系都有萬億顆恒星。這個數目非常巨大。加州理工學院我們實驗室還有一個望遠鏡,是紅外望遠鏡,叫開普勒。這個望遠鏡有一個任務,是專門去觀測地外行星,也就是圍繞其他恒星轉動的星。它對準某一個星星比較多的天區。范圍大概是3000光年。基本上每個星期它都可以發現一個地外行星。這個可以上網搜,下面就是這個網站,叫做NASA exoplanet archive。上面有記錄已經發現的行星有3800多顆,已經發現的恒星系統,就像我們太陽系一樣的恒星系統,已經有645個。所以說這個地外行星項目,像我們的太陽系并不是唯一的,而且(數量)是很多。在座的小朋友,我每次到天文館他們都會問這個問題:到底有沒有地外生命。到目前為止,我可以非常肯定地告訴大家:還沒有發現。但這并不是不可能,也就是說我們是不是唯一的,人類是不是唯一的高級生命,這不是唯一的,可能會有很多。但是這個發現幾率發現個數受很多因素的限制。比如說星系的形成幾率,因為宇宙非常非常大。宇宙的年齡大概是15billion,是150億年。星系形成的幾率,行星系統形成的幾率,行星上適合溫度的幾率、生命出現的幾率,生命出現之后是不是能夠進化,這個進化是不是能產生高科技。

非常誠實地告訴大家,這個幾率并不是非常大。雖然這個數目非常多,但是這個幾率非常小。還有一個因素,一旦有了高科技,能夠做星際旅行了,也就是說能夠做局部星際旅行,比如你飛到月球,飛到行星,成活時間有多長。從牛頓到現在大概有四五百年了。我們高科技人類是不是能夠再存活四五百年實際上誰都不知道。有些人認為,到目前為止,我們還沒有發現地外生命。地球壽命大概4.5billion。宇宙已經15billion。沒準在我們地球形成之前,可能有另外一個星球已經有生命。如果這個生命很多,他們存活時間非常長的話,早晚有一天他們能夠發展出高科技、高級物理,他們能夠做星際旅行。但我們現在還沒有發現,就說明他們存活的時間并不是非常長。所以從這點看,我們的地球非常寶貴。這是一張地球照片,這是阿波羅宇航員拍的。下面還有一個照片,是地球大氣照片。這是發現號航天飛機拍的。這個地球大氣大概有100公里厚。但是所有生命,地球上的生命,也可以說我們知道的所有宇宙中的生命都在這個表面大概正負兩公里。為什么大氣非常珍貴需要保護呢?我們不能去把它污染,把它破壞。這非常珍貴,萬一大氣損壞了,不僅是地球生命,宇宙當中我們知道的生命就沒有了。

所以最后,今天我大概簡單幾分鐘說下我們這個團隊。我們這個團隊的實際上是搞這個地球大氣觀測研究。你可以看到我們這個團隊,又有工程師,也有科學家,也有學生,也有博士后。這是我的核心科研小組,有很多博士后。我們這個核心科研小組,我可以在這里吹吹牛,我們科研小組是世界一流的。我們曾經有兩顆衛星在軌道上都是我們小組研發的。現在我們這個團隊實際上有好多衛星,不同的衛星觀測不同的物理量。我們研究項目的就是研究各種物理量之間的相互關系,以發現物理定律。

我可以舉個例子,就好像你在看下棋。我們搞地球衛星觀測地球就像看下棋一樣。為什么這么說呢?加州理工學院有個非常有名的教授、諾獎獲得者費曼教授。他說我們的宇宙、我們這個世界就像一盤棋一樣。我們是在看下棋,但是我們不是下棋的人。誰在下棋呢?就好像是,打個比喻,就好像是上帝在下棋。棋走的規則,比如車怎么走、象怎么走、馬怎么走、兵怎么走,這些規則就是物理定律。我們看下棋就是要發現這些物理定律。如果你觀測的時間很長了,你就發現一些物理。但是有些棋可能它還沒走,那有些物理定律可能還沒發現。但是我們看下棋并不是用眼睛看。因為眼睛非常有限,眼睛只能看見可見光。我們看是用衛星儀器看。這個衛星儀器比眼睛更加powerful。它不僅能夠看到可見光,還能看到紅外,還能看到微波,非常powerful。再下一張。但是這個下棋,剛才我說上帝在下棋,但是其實人也可以下棋。所以哪些人下棋呢?比如說你做天氣預報的,你有氣象預報模型,或者說你做氣候預報的。我上次在北京氣候研究中心我看到的吳統文教授,他在用大氣模型,他也在下棋。但是他下的棋,都是模擬的。云、海洋、陸地、風、溫度都是模擬值。它并不是宇宙真實現象。他下的棋可能對也可能錯。所以說,我們還有任務,就是要告訴那些下棋的人,你們下的這個棋是對的還是錯的。怎么來告訴呢?我們是來觀測真實象棋,對地球觀測研究。這個大家都可以做。我有一個學生,這個學生只有十五歲。他是來做觀測研究的。在左上方這個圖實際上就是一個大氣模式。這個大氣模式來算出來的云層分布圖。下面這張圖是觀測到的云層分布圖,在十公里高空冰云分布圖。顯然,這個模擬跟觀測的不太一樣,你這個觀測就有問題,你要進行改進。下面這個是我的一個廣告。我在招一個博士后。這個博士后干嘛呢?他的任務是看下棋。專業上說,他要做衛星觀測和衛星數據研究。同時,他要為那些下棋的人做模型分析,看他下棋下得對不對。你別以為看下棋非常簡單,看下棋非常復雜。有16個黑棋,16個白棋,66個方位。

數學上簡單算一下排列組合,你就知道這個可能的排列組合數目是10100次方,非常非常巨大。宇宙當中原子的數目全加起來大概1080次方不會超過。所以你找出物理定律并不是非常容易的事情。看下棋的話,也就是你發現物理規律,最難的有兩件事情。第一件事情是,如果它有一步棋過去從來沒走過,突然走了。它的規則非常難掌握。還有一個是它的下一步怎么走,它的下十步怎么走,它一百步以后怎么走,你要推測出來非常難。就好比天氣預報,明天是不是刮風下雨你可能知道,大概有個百分比。下個星期是不是刮風下雨,你就困難一點。下個月是不是刮風下雨你就不知道了。那么氣候模型要預測什么呢?十年、五十年、一百年之后大氣溫度到底怎么樣。下雨頻率到底怎么樣,那就是非常難的,就跟下棋一樣。這是一個例子,這是氣候模型預測。這個黑線是觀測值。這個淡顏色的是算出來的,用這個模型的預報值,也就是說下棋的人下的。就已經觀測到的,你模擬得非常準。你還沒有觀測到的,今后一百年,你就不知道了。所以說,這個誤差非常大。有些人說全球增溫可能只能增加半度,有些人說增加四五度,有些人說增加二三度。為什么這么難?因為你不知道,這個是未來的棋子。

還有一個難點,就是你沒有走過的棋突然走了一步。其中有大自然就突然走了一步棋,就是人口問題。這個人口,你比如說在過去的一百萬年,從一百萬年到現在,大概從類人猿到現在,這個很長時間里人口非常穩定,人口非常少。但是在二百年之前,由于工業革命,在1800之后,突然就人口增加,超過了一個billion,超過十億。在短短的兩百年之間,從1800年到現在,現在已經超過60億。全世界人口差不多快要70億了。你突然走了這么一步,大自然到底有什么反饋,你是不知道的。但是有一個現象可以觀測到,比如說大氣當中的二氧化碳。在過去一百萬年,二氧化碳有時高、有時低,有時高、有時低,這濃度,因為它有溫暖期,也有冰河期。但是現在在非常短短的兩百年時間中,你發現二氧化碳突然突飛猛進。這是2013年的值,現在已經超過400了。這個速度還會在今后的幾十年到上百年保持下去。這就是為什么全球增溫,你把這個現象放在氣候模型當中算一下,就會預測出全球增溫,但是增加多少現在有很大的不定性。所以為什么現在有些人反對,有些人支持,因為你不知道。這個就好比你在黑暗當中走路。前面是一個懸崖,但是你不知道這個懸崖是在什么地方。這個全球增溫是不是危險到一定程度,能夠把這個人類給會毀滅,其實你是不知道的。

所以,大物理學家Steven Hawking他說,雖然在短時間內,那些災害,比如風暴之類的對地球影響不大。但是在今后幾百年當中,有可能會變得非常危險,由于全球增溫。人類是不是能夠存在,有一個解決方法,就是做星際移民。你不能只抱著這一個塵埃不放,你還到其他地方去。所以他提出這個,為什么要做空間探險?有一個原因就是要發現新大陸,我們要到大陸去移民,同時我們要保護地球。這個我最后一張slide。剛才我說我們要有遠大目標。  

但是,我曾經說過,宇宙的壽命,我們現在知道,從大爆炸一直到現在,我們這個宇宙的壽命,大概是15billion150億年。如果你把這15billion壓縮成一年,你就會發現從我們有人類到現在,最多幾秒鐘,在1231號半夜之前的最多幾秒鐘。假如我們每個人能夠活80歲,平均壽命80歲,這個相當于0.16秒。一秒鐘大概是475年。475年之前是哥倫布發現新大陸的時間。一分鐘是28500年。一分鐘之前,可能我們能夠直立行走,但是我們還沒有文字。也就是說,五千年文明,從有文字到現在,也就幾秒鐘的時間。所以說我們要有遠見,有遠見什么意思呢?是下一個一秒鐘,一月一號下一個一秒鐘,我們會在什么地方,我們要看到這一步。這一步是為什么我們要做科學研究、做空間探險(的原因)。剛才我提到,我們人類,我們這個高級生命能不能存活很長時間。什么叫存活很長時間呢?這個存活很長時間并不是存活幾百年,也不是存活幾千年。從英文講,就是說billions of years, millions of years into the future,也就是說我們能不能存活幾百萬年。這樣的話,你就知道下面的第一個小時幾分鐘我們還在不在了。如果我們能夠存活下去,幾百萬年,那么星際旅行是早晚的事情,而且我們發現外星人也是早晚的事情。

這是我最后一個結束語。也就是說,我們為什么要培養下一代?是要我們考慮我們的未來。我們怎么知道我們的未來會發生什么事情。我們這個未來并不是指明天、后天,也不是指這個今后幾年,是billions, millions of years into the future。大科學家Carl Sagan有一句話:Our future depends on how well we understand this cosmos。也就是說我們對這個宇宙有多了解,我們就對我們的未來有多了解。我今天先講到這里,占用了大家一個小時,歡迎大家提問,謝謝大家。

 

對話部分:

主持人:非常感謝蔣教授的精彩演講,讓我們對于人類在探索空間方面所作努力有了更多的了解。那么這次我們也非常榮幸地邀請到了一位大家非常熟悉的科學家,與蔣紅濤教授進行連線對話他就是朱進館長。

朱進館長是北京市科學技術研究院科學傳播中心首席科學家、北京天文館館長、北京古觀象臺臺長、國際天文學聯合會小天體提名委員會委員。接下來的連線對話,我們就把時間交給蔣教授和朱進館長。讓我們用熱烈的掌聲邀請朱進館長上臺。

 

朱進:謝謝。好的,非常精彩的講座。這樣,我先替大家問蔣老師三個問題,然后就把時間留給各位,可能大家問題會更廣泛一點吧。我先問三個稍微窄一點的問題。第一個問題是這樣,因為你介紹了洞察號,而且大家也都剛才可以感到這確實是一個特別厲害、特別牛的一個項目,其實我想從另外一個角度說,其實因為中國實際上現在也在考慮我們自己的這個行星探測,也包括這個火星計劃。我是想說像洞察號這樣的項目,一個是從預算方面,它大概是一個多少錢的事情?現在大家可能也知道,我們中國現在其實在空間方面的投入,現在國家其實很重視,也越來越大。另外一個,當然我想這樣的項目其實它肯定不單是錢的事。類似這樣的項目里面涉及到的人,參與的比如說科學家、工程師,它大概是一個什么量級的。比如說它會需要多少人,這些人大概都是什么樣的準備?因為我想我們未來,中國想做這樣的項目的話,其實可能光有錢還是不夠的。我想讓你從這個角度稍微地說幾句。

蔣紅濤:這個問題非常簡單。美國人工非常貴。所以這個項目從設計,一直到發射著陸,大概花了860millions,是八億六千萬。但是這個對中國來說可能是小菜一盤,中國錢非常多。人是這樣的,實際上我并不是他們火星團隊的。他們火星團隊大概有360多個人。360多個人是full time,是全日制的,包括有科學家,也有工程師,也包括有學生。提到學生,我可以說一句,我們實驗室很自豪,這個最年輕的學生大概十七歲,在搞這個研究。這個年齡非常有彈性,最大年紀的,上星期剛退休一個81歲,剛剛退休一個。但是,除了我們實驗室這個團隊之外,還有外面的合作者。所有的合作者加起來大概是兩三千人,這應該是有的。

朱進:好的,多謝。就接著這個問題,我想再問一下,因為看你這個團隊是一個非常國際化的一個團隊,你也提到噴氣推進實驗室里面來自美國以外的地區,另外你這里面也有年紀很小的,也有一些看上去來自亞洲的。我想問一下,比如像你,未來在挑選學生的時候,以前有一次在天文館也做過一次講座,但在座的很多人可能沒聽過。稍微地說幾句,就是說你選洋學生的標準大概會是什么樣子,或者說有一些我們在座的,包括我們北京的同學、小朋友們或者是中國的同學們,以后想去加州理工,那么你大概會對他們有什么建議?

這也是一個非常直接的問題,可以這么說吧。我這里有個PPT,你可以打在屏幕上。剛才我說我們實驗室今年統計最高的時候是60%。今年的統計53%的都是移民,都不是美國土生土長的。在科學界,尤其是,美國人非常喜歡移民。而且這個并不是指難民。可能最近美國不太喜歡難民,但是特別是高科技移民,他們是非常喜歡的。因為美國人自己研究發現,移民,特別是移民的孩子,他們在各個領域,在學校,他們都非常優秀。比他們本國人,都非常優秀。這個上次我講過,為什么特別優秀,有三大因素。第一個是,他能夠離開自己的家園,到一個外邊陌生地方來發展,說明他很有志氣。他有自信心。要不然他也不敢出來。這是第一點。這個移民還有一個特點。你一旦出來了,你拿不到社會保險,萬一你找不到工作,萬一學習成績不好,那就流落街頭了。所以這叫做deep feeling of insecurity。第三點,移民跟美國本土人比較,更具備一個特征,他遇到困難他不會放棄。為什么呢?因為他沒退路。無論是你自己出來的也好,你靠父母出來的也好,你總不能拿父母的錢拿一輩子。總得出來,沒退路。我特別是到了這個實驗室之后,我非常有感觸。而且我們這個實驗室非常積極地來招年輕人。你隨便打開一個網,這是我們JPL的一個網站。這上面有一個叫做menu。你一按,可以看到這里有opportunity。每天上我們的網申請實習生的,這叫做internship,成千上萬。我們每年每個季度都會選二三百個實習生,到我們實驗室來實習。這個你干什么呢?你看這個叫job descriptiondare mighty things。這個網站我的學生都在上面。所以,這個是美國一大特征,而且是我們實驗室一大特征。像我這個小組,我每年夏天,你可以看下面這張照片這是我2010年我們衛星觀測研究小組,最小十五歲。再下面這張20112012年的我們小組,最小十八歲。再下面一張,這個是20122013年的,一個高中生,一個本科生。這里面只有四個是美國出生的公民。再下面一張這個是20132014年的,這也是當時我們組拿獎的,最小十六歲。在我后面中間這個小姑娘,她是十六歲。這個是20152016年,最小十六歲,這個小男孩,在最邊上這個小男孩。他是十六歲。后面第八張圖是去年的,最小十七歲,在我旁邊這個小男孩,都是高中生。最后一張圖是今年的,最小十九歲,也是在我旁邊這個小男孩。剛才朱進老師這個問題,如果你要想到我們實驗室來競爭,來搞研究,我們看什么呢?這是我最后一張slide。第一,你有沒有熱情。你這個人是算盤珠子撥一撥、動一動,還是你自己有想法。第二,你這個人是不是努力工作,是會偷懶還是會努力工作。第三,你是不是有新想法,這是dare mighty thing的定義。第二點,是你能不能接受新的挑戰。這個什么意思呢?你在學校里頭,無論是小學、中學、大學、研究生院也好,你所學的東西都是舊的東西,你所做的每一道題答案都知道。但是將來公司愿意雇你是因為他要發展新產品。學術單位實驗室要雇你,是因為他們需要有新發現。你干的事情都是沒有學過的,都是新東西,看你能不能接受新挑戰。第三點,你是不是自覺,也就是說你來了之后,是不是算盤珠子撥一撥、動一動,還是你自己能夠干。中國來的學生,我去年有兩個,有一個問題。你交給他的任務之后他會干。萬一他干完了以后,他下一步不知道怎么干了,就待在那塊了,就是你要自己會找活干。第四點,是你要善于搭梯子。這個牛頓說過一句話,他之所以這么成功,他是因為站在巨人的肩膀上。這一點非常重要。斯坦福大學曾經一個研究。一百個優秀生,他們的成績都非常好。二十年之后,有四五孩子非常成功,大部分人都是一般。那些非常成功、非常出色的孩子他們的善于搭梯子。這些梯子,包括你的老師、你的同學、你的朋友,也包括你的父母。我曾經遇到一個學生,他樣樣優秀。但是我沒雇他。他母親跟我說這個學生有一個缺點。回到家之后,他不跟我們交談,門一關。他為什么不交談呢?因為他認為他父母說的話都是錯的。這種學生我們是不會雇的。因為你的朋友、你的家長、你的老師,說的話并不是句句都對,但是如果你擅長吸收他們有用之處,作為己用,善于搭梯子,將來成功的可能性就大,這種學生我們才會接受。所以我們不僅interview學生,還會interview家長。這是我們實驗室一大特征。

 

朱進:好的,謝謝。我再問一個簡單的問題,后面把時間留給大家。這里當時提到了外星人和地外生命。外星人先不討論了。地外生命的事,特別是火星。前兩年有一個研究說在火星上發現了液態的水,但最后好像這個結果后來有人又說有別的解釋。但是不管怎么說,我覺得目前火星,它仍然是一個有可能存在,現在來看我認為,還仍然有可能存在地外生命的這樣一個地。現在洞察號過去就直接去打洞了,你期待這方面有沒有可能有些新的結果?另外一個,反過來說,像類似這樣的事,包括現在很多人在考慮去火星,真的人要去登陸火星。如果萬一火星真的有生命,他會不會對火星的當地的本身火星生命的生態,有什么大的影響,你覺得。

蔣紅濤:現在的普遍想法,剛才我說過,宇宙中存在高級生命的可能性并不是非常大,但是低級生命,比如像微生物等等,這種的可能性是有的。而且大部分科學家,特別是我們實驗室的科學家,都認為只要溫度合適,有水分,生命是有可能發現的,一個是火星表面,還有比如說,Europa,木星衛星。我們在2022年還會發射一個探測器到木星衛星。在地下有可能發現微生物。你第二個問題非常有意思。這個其實很難回答。第一,我們要找到生命。找到了這個生命還要研究一下這個生命有哪些特征。包括如果我們人類要是到了火星上。會不會影響這個生命的發展。好多非常有趣的問題,比如你這個生命是左旋體還是右旋體,它是不是以碳,還是硅為基礎的生命。這個現在還不知道,有各種各樣的理論可能,但是發現之后是非常激動人心的時刻。你一旦發現就可以進行研究。你沒發現之前,你還不能研究。所以這個還是有待發現。

 

朱進:在火星上打洞的時候你有沒有考慮,你是完全就當它是一個沒有生命的巖石之類的這么去干,還是你已經考慮了,萬一它真的有微生物,你打個洞會不會影響它?

蔣紅濤:打洞會不會影響微生物應該有影響,但是所謂的影響,比如地下有一個比較大的洞,你當然會受影響。但是我們這個儀器在發射之前,非常仔細地消毒過。基本上是不可能有任何微生物會帶到上邊去的。這一點,從生物學角度相互影響,這個目前幾乎不可能。但是下面要是有個老鼠,那我就不知道了。它有一個熱流探測器。這個熱流探測器精度非常高。如果下面比如說有一些微生物,它的存在會引起熱量變化,這個是能夠探測到的應該。

謝謝!因為時間有限,我就問這么多問題,非常感謝。后面大家還有要問的。

 

觀眾提問部分:

 

主持人:非常感謝兩位老師的精彩分享。那接下來就到了我們的互動環節。如果大家有問題的話也可以舉手示意我。提一個小小的要求,就是為了讓更多人有機會來提問,每個人只能問一個問題,盡量簡短。后面這位戴眼鏡的男士先舉的手。

觀眾老師您好,我有一個問題一直沒想明白,我們知道黃道是以地球上觀測到的太陽的軌跡來看的,但是我一直在想,因為太陽在地球上面來看,它的高度夏天和冬天,它升的高度是不一樣的。但是黃赤交角是一個固定的值。所以黃道到底是怎么來定的這個位置?

蔣紅濤:朱進應該非常清楚,黃道實際上是太陽的軌跡。地球和太陽這個平面,但是和地球自轉這個平面并不是同一個平面。它大概有23度這么一個角度。它要是沒有這個角度就沒有春夏秋冬了。它有這個角度。所以,黃道它是地球和太陽這個平面。你的問題是黃道不動是怎么回事?因為地球的自轉軌道有個角度。這個高度一年四季是不一樣的。這是一個幾何問題。

朱進:我稍微補充一兩句,我們倆其實以前在上學時候是同一個班的,北大天文系81級的。然后學基礎天文的時候,我們倆都沒考好。我得了60分,蔣紅濤可能比我多點,估計多的有限。另外,我們班考得最好的后來沒學天文,有一個得92分的一個兄弟,也是北京的。我們幾個都是北京的。蔣老師是學天體物理的,我是去學天體測量、天體力學了,所以相對來講球面天文這是我比較擅長的。你剛才的是這樣的,說你我們真正看太陽,因為太陽每天東升西落,這中間還有一個地球自轉引起的效果。它有一個周日式運動的項,這項我們要扣掉,就是我假設地球不轉了。不轉的話你看太陽,太陽基本上它就會一年才在天上走一圈。這個走一圈是在相對于星空背景上走一圈。如果你這么考慮的話,黃道其實是在星空背景,那些星座的背景上的一個大圓。這是黃道的概念。剛才你說的赤道,這是因為我們地球繞太陽一年轉一圈。我如果認為我不動的話,你就會看到太陽一年我繞們轉一圈。然后地球繞太陽公轉這一圈的,就像剛才蔣老師說的,它本身還要自轉。這個自轉不是垂直這么轉的。所以它有一個傾角。這個傾角23度多一點,像你剛才說的,這樣才有一年四季,就是這個意思。

 

觀眾2我想問下,咱們空間探測器的能源使用方面。因為現在核電池大概只有幾十年的壽命。那如果我們將來要去更遠的地方,我們現在的研究的方向,以及突破的方向,大概是什么呢?

蔣紅濤:結尾的地方我沒聽清楚,但是這個核電池。要是你飛到木星,現在太陽能扇板已經不干活了。離太陽太遠必須要用核電池。包括在火星表面這個著陸器,這個太陽能扇板基本上壽命大概兩年左右。要是超過兩年,那你基本上還是要用核電池了。像我剛才說的這個旅行者號要飛出太陽系,那你要用核電池。還有我剛才說到木星的衛星Europa上著陸,肯定是要用核電的。用核電池到什么地方去基本上沒有什么限制。你到什么地方去都可以用。是不是回答你的問題了?因為你最后結尾的地方我沒聽清楚。

朱進:她想問問,核電只能用幾十年,時間長了怎么辦。

蔣紅濤:是這樣這個核電池能用多長時間,實際上也不是完全有限的。旅行者一號的核電池大概還有30年的壽命大概。所以在今后三十年當中我們還可以跟它聯絡。一般的小型核電池大概是五十年壽命左右,但是你可以做個更大一點的。就現在的技術,你要是做一個有300年壽命的核電池, 基本上是不成問題的,這個技術上不會成問題。但如果你要想核電池用幾萬年、幾十萬年,這個我還要請教一下專家。但是幾百年應該是不成問題的。最近我們實驗室給Europa做核電池,上次我看他們那個技術鑒定,大概一百年這個壽命應該是有。

這個主要還是提供儀器設備的用。因為單就動力來講,其實因為有太陽的引力,它其實就可以往外走,你只要初速度足夠大。另外,現在還有光帆之類的。現在有人在考慮這個事。這也是星際旅行,這可能都會是未來的(發展方向)。

星際旅行,我們實驗室一個組是離子推進器。離子推進器,對真負離子對撞之后它的光壓就可以推著往前走,這也是一個先進技術。但是根據他們模擬數據,大概是到0.01光速,已經是比較極限了。就是說接近光速還是非常困難。他們現在有模擬,我看他們計算機模擬還是有的。這個還是需要技術突破。從技術上來講,接近光速旅行還是個問題。對,現在還沒有突破。剛才朱進老師說的那個光帆,住在我家附近有一個planetary society。他們研制的光帆已經成功發射過一次。但是大概三個星期以后就死掉了。這個原理應該是干活的。這個光帆可以把飛船通過光壓,一直吹到太陽風,一直吹到非常遠的地方,這個是完全可以的。

 

觀眾3蔣老師您好!我想請問一下,在關于探索地外生命的時候,科學家他們依據的都還是按照地球生命的這種標準來嗎?就是說地外生命,它們同樣需要氧,需要水嗎?我在想有沒有可能,地球以外的生命其實是完全不同于地球上的生命。如果是這樣的話,我就不知道研究應該怎么推進下去。如果是完全不同于地球的一個模式。我不知道我講清楚沒有。

蔣紅濤:從目前對生物學的理解,雖然我不是學生物的,但我聽過好多報告,只要有水分,也就是說我們這個宇宙,如果是有生命的話,比如說高級生命,不一定跟人長得一樣。它們可能有六個手指頭可能,它也可能跟人長得完全不一樣。但是基本組成部分,比如說碳水化合物,還有碳源、氧和水分,應該是需要的。這個是為什么呢?他們有各種各樣的化學試驗。目前我們做這個化學試驗,就不光是為了看地球生命。也就是說你只有有水、有碳,溫度合適的時候,生命才能生存發展。當然了,這是目前我們的認識。剛才你說的不是不可能,也沒準將來又突然發現一個生命,就不需要水,不需要碳,沒準是其他的。不是完全不可能,但是至少目前在實驗室當中,我做不出來。哪天要誰在實驗室上能夠做出來,那就非常有意思。也就是說,我們理解的生命要有適合的溫度,要有水、氣,才能產生。這也是一個非常有意思的問題。因為我們宇宙當中一些常數是固定的,比如說萬有引力常數,還有電磁常數,像普朗克常數,都是一定的。如果我們理解的物理定律成立的話,生命必須要有水,要有碳。其他的都不穩定,但是沒準有另外一個宇宙。它這個常數不一樣。比如說它的普朗克常數就完全不一樣的值。那化學可能就不一樣了。那最穩定的生命不需要有水,不需要碳。這個也是可能的。這個就有待你們年輕人,長大以后學了科學以后做進一步發現。進一步發現。

 

觀眾4我想問一下,旅行者號從太陽系的外邊看太陽系里面的行星,和其他行星和地球看起來有什么不同嗎?

蔣紅濤:顏色不一樣。地球為什么是慘白發藍呢?因為地球有云,大概百分之七八十。你要是學氣象你就知道,云層覆蓋面至少百分之六七十,60%80%,它每天都會變化。云是白。它現在發藍,為什么呢?因為海洋是藍的。比如說這個是火星照片,它就有些發紅。它的顏色不太一樣。而且旅行社者號的相機,它并不是像現在最好的相機。那個時候還沒有什么digital camera。那個時候的光學相機非常簡陋。而且鏡頭也不是現在最先進的鏡頭,所以它有很多散光。你看地球照片,它有一道光,那就是鏡片散光所造成的。你拍攝的時間不一樣、各個角度不一樣,各個星球看上去不一樣,但是有一點是相同的。在這個距離你拍攝的所有行星,金星也好,火星也好,地球也好,木星也好,土星也好,天王星也好,海王星也好,都是一個點。這一點是一樣。剛才我說,我們那個開普勒,已經發現了3800多個地外行星,可以說這些行星都是一個點,你不可能看到它的面。你要想看到它的面。假設你這個行星,在距離上,你目鏡這個距離,這個物鏡的尺寸必須得幾公里大,你才能看到那個面。

 

觀眾5蔣老師您好,請教一個關于旅行者的問題。因為我們在國內的科普介紹的時候,我聽介紹旅行者的時候,他會說是依靠所謂引力彈弓這樣一個力學的作用,導向它可以去往的宇宙空間。所以我想聽下您對所謂的引力彈弓比較簡潔的一個解讀。另外來說,飛行器在宇宙空間中它調整方向或姿態的這個動力,是什么?是不是也是一些微觀粒子的推動。以及來說,所謂引力彈弓,有沒有可能有另一種解釋,事實上是超微觀物質在宇宙空間內,新的一種力學平衡。它是不是引力,而是推力呢?這是一個猜想,所以請教您。

蔣紅濤:你第一個問題很簡單,這也是剛才朱進說的。實際上是射出去之后,它發射的時候你需要噴氣之類的。離開地球引力場了之后,實際上它也帶這種液體推進器。但是它主要是為了做maneuver,改變方向。但是他真正的推力,并不是靠這個推進。它是靠引力彈弓,比如說像旅行者號它飛出去之后,對它還有引力的,先是月球,然后是火星,然后是木星,還有土星。所以它飛出太陽系,并不是直接飛出太陽系。它是轉了幾圈,每一次都是通過其他行星對它的引力來加速,加速再加速,在加速再加速。這個過程,你搞天體力學,向朱進那樣,搞天體力學的,這個叫多體問題。這是可以算的。最早的,早先在七十年代,好多問題都是手算的。我們那時候看老電影還看到的,專門有梯隊,專門手算。但現在基本上都是計算機。計算機可以模擬這個多體問題。這就是靠這個引力彈弓。還有剛才你說的,推進器要達到光速這個速度啊,你光靠這個彈弓其實還是不夠。你要有這個推力。剛才朱進說到的那個,太陽能扇板。用光壓,把太陽風作為這個推力。這個已經試驗成功,確實有這個推力。雖然這個飛船還沒有做出來,但這個是推力一種。但這個推力,像旅行者一號二號這個距離已經不行了。因為它們飛出氦層之后,推力就沒有了。太陽的推力跟恒星的推力,基本上是一樣的,它就平衡了。現在旅行者號所有的動力就是它的慣性。剩下的就是它這個慣性。在很久的將來,它飛近另外一個恒星的時候,它沒準還能夠加速。它靠恒星的引力彈弓。剛才我說到離子加速器,正負離子反應堆,產生爆炸,這個是有待研究。這是將來有可能實現的。如果有一天真的有星際旅行大概有兩個方面。一個是比如正負離子推進器。這種的話,你可以把飛船加速到0.1光速。你在有生之年可能還是不行的,但是你幾代人,大概十代人你可能行。但你要想在你有生之年,一百年之內里飛到一個恒星,你大概要到0.9光速這個速度。但目前,我是不太相信。但是他們大部分做模擬的數據,我看他們基本上還是不可能的,就目前我們對物理學的理解。第二條是物理學上有新的突破,比如說時間隧道、黑洞、白洞。如果你要有穩定的白洞,能夠穿越時空,那是可能的。但是目前對物理學的理解,這種穩定的白洞,這個時間通道好像是不存在的。你怎么人工的做出來,現在也不知道。這個是未來的不定因素,要有待研究的。

朱進:引力彈弓我稍微想一個解釋。實際上你可以這么考慮,比如本來是這個飛行器是繞太陽轉的,它在太陽引力下。然后它到木星附近,我可以設計軌道讓它完全接近,受木星引力的影響。在這種情況下,實際上我們看到的是它改變了方向。你站在木星的角度看的話,它受木星引力場實際上速度沒有改變,但實際上應該方向改變了,所以它站在太陽的角度,這個方向實際上是變了的。就是這個增量,其實相當于給它給的速度比如加速,簡單地說,我覺得可以這么理解。

 

主持人:好的,在我們的直播平臺上也有網友向兩位科學家提出問題。那我來選擇一個問題,向兩位科學家提出。他的問題是,請問火星探測器上的信息是通過什么方法傳回地球的?

蔣紅濤:這是我們實驗室DSN我們實驗室有一個叫做Deep Space Network。這個無線電接收天線口徑三十米,我們在世界各地都有,在西班牙有一個,在澳大利亞有一個,在新墨西哥州我們還有一個。在地球的南半球、北半球、東半球、西半球,基本上就可以分開的。這個是在火星表面著陸這個儀器,你要想跟地球通信要分成兩步。第一步叫做relay。這個relay是說要有一個接力棒。也就是說,它這個信息,它這個無線電波,先傳給圍繞火星旋轉的火星衛星。這個圍繞火星的衛星,它有很大的天線。它可以跟地球聯絡。這個著陸器是不能直接跟地球聯絡的。為什么呢?因為這個火星跟地球一樣,它會自轉。而且它會圍太陽公轉。也就是說你不可能一直看到這個著陸器。但是這個火星衛星是非常高的,就像同步衛星一樣,非常高的話,基本上能夠隨時保持聯絡。而且一個衛星不夠,它有時需要兩個或者三個。那么這樣的話,你至少,不能每天、每個星期都能保持聯絡。保持聯絡之后,它上面有大的發射線,把信息通過無線電波發射到地球上的某一個天線。這個天線有可能是澳大利亞的,可能是在西班牙的,也可能是在美國的。然后接收到這個信號,再傳給我們實驗室分析中心。這個是有一套,這是比第一顆人造衛星先進了。第一顆人造衛星發射的時候,非常懸。因為它轉到地球另外一邊你不知道,你不知道它是成功還是不成功。等了半天終于信號又出現。現在基本上是隨時隨刻我們都能夠太陽系飛的探測器進行聯絡。將來我們還要在月球表面再建天線。以后還會在火星表面再建個天線,要把Deep Space Network散播到太陽系各個角落。那么這樣的話,那會更方便了。

 

主持人:好的,因為時間的關系,最后一個向朱進館長提出問題的時間。最后一個問題。好,請最后那位戴眼鏡的男士。

觀眾6:朱館長你好,我問一個關于天體測量方面的一個問題吧。因為我對天文比較感興趣,我自己也做過一些天文觀測的小實驗。我們知道,我們在地面用望遠鏡或者地平儀,去記錄天體的位置,它是有很大誤差的,因為它會收到大氣擾動的影響。我知道,在探測小行星的時候,因為對探測出來的精度要求很高。實際科學家在研究這些小天體,特別是小行星軌道的時候,是怎么樣探測的?是通過什么衛星觀測的手段探測的嗎?謝謝。

朱進:謝謝。首先,地面上的觀測精度,如果我定位的話,觀測精度特別是受到了地球大氣的影響。所以我們光學定位的精度就到比如0.1個角秒,這個量級,零點幾個角秒。現在還有自適應光學,或者如果是在大氣外的話,我們可以到,比如,千分之一個角秒,零點零幾個,或者零點零零幾個角秒,有可能。對小行星來講,情況會有些不一樣。因為對小行星來講,它是在動的,它相對于恒星本來在動。我們最后定小行星,一個是定它的位置,一個是通過它的位置算它的軌道。那么定軌的精度,如果只是純粹光學這么測的話,因為主要是光學測量,主要是地面系統光學測量,我其實是可以通過一個弧段很長的,因為小行星它總是繞太陽轉,若干年轉一圈。我其實是可以通過很長的觀測弧段來提高它定軌的精度的,不管觀測精度怎么樣。當然,這跟小行星本身軌道特點有關系。另外,對一些距離比較近的小行星,我們實際上是可以通過雷達直接測它的距離的。一旦有了雷達測距的信息以后……以前我只有赤經、赤緯兩個坐標,然后我根據它要太陽轉,它要滿足的萬有引力規律,根據這個算的。一旦我有直接的測距以后,那么它的定位精度就會特別高,一下子就會提高,比如說,一個量級。這樣的話,目前我們對小行星來講,定位定不準,主要是因為觀測弧段短。如果你只在幾天之內觀測它,然后它跑沒了,你當然觀測軌道定不準。但因為我們是能夠找到以前這些觀測的,這樣的話,一旦觀測弧段長的話,其實定軌精度就會很高。我們現在發現的小行星大概在上百萬顆,一百多萬。但是這中間會有一些是重的。它定軌都不太準,好幾個編號可能是同一個。實際上的編號也都超過了三四十萬以上。這些有永久編號的小行星都是軌道定得非常非常準,它才能有永久編號。所以像這種小行星,比如我預言它兩百年以后的位置,應該是角秒量級的精度,大概是這樣的。

 

主持人:好的,那我們的互動時間就先告一段落。那也非常感謝蔣紅濤教授和朱進館長。謝謝。科學連線活動也是一個系列的活動,我們會邀請不同領域的國際知名科學家來連線,分享最前沿、有趣的科學成果和研究。本次科學連線活動是2018年的最后一次.2019年我們還將繼續推出相關的科學連線活動。大家可以關注中國數字科技館的微信公眾號以及環球科學微信公眾號、把科學帶回家微信公眾號,我們的活動會發布在這些平臺上。也希望大家登陸中國數字科技館網站。它是國家級的網絡科普平臺,上面有豐富的科普文章、動畫、游戲,也有豐富的科技課堂和科技活動。今天的科學連線活動到此結束。謝謝。希望下次還有機會能夠再次見到大家。 
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