出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容中國科學院國家空間科學中心 空間氣象學國家重點實驗室研究員劉勇演講實錄：
我的專業為空間物理，經常會有人問我們，這專業和同樣都是研究太空的天文學有什麽區別，兩者怎麽劃分，到底誰管哪一塊？
我們其實可以這麽來理解這個問題：天文學是一門非常古老的科學。可以說自從地球上有了人類，有一部分人開始抬頭看向星空，天文學就開始了；空間物理是一門歷史很短、比較現代的科學，它是借助現代的技術手段來研究太空的事情。
尤其是當人類進入太空時代以來，我們就可以借助飛船，近距離觀測那些我們以前只能在望遠鏡裡看到的那些天上的星星。
所以我們跟天文學的分界是他們是能夠看到，而我們不光能看到，還是真正要去飛，或者說人類的飛行器到哪裡，空間物理的範疇就到哪裡。
衝出地球，飛向宇宙
我個人在研究中非常關心、經常思考一些問題，或者說經常被人問到的問題——在茫茫宇宙，還有沒有其他的星球上也和地球一樣有生命的存在？
如果從學術角度分析，那就是在宇宙中有沒有另外的星球和地球一樣，有適合生命生存的條件？我們能夠找到和發現它嗎？如果地球遇到不可抵擋的災難，我們能不能夠在這種情況下逃離地球這座孤島，移民到其他星球？
但我們不管是要去外星球尋找生命，還是要移民到其他星球，都需要利用航天來實現。
那麽我們先從航天歷史的角度來思考這一問題。
在明朝，有個叫萬戶或萬虎的人，曾想過在一把竹椅子的後面綁上幾根火箭，利用火箭的推力，把自己送上天，然後他再舉個風箏就可以平安地落地。
但這個故事的結局是個悲劇——很不幸，他沒有成功落地。當時火箭就直接把他炸死了。
這個故事告訴我們：第一，我們人類很早就有飛向星空的夢想。第二，沒有科學原理，我們的夢想無法變成現實。
而第一個把這個事情用科學方法來解釋的人是牛頓。他通過研究萬有引力發現，如果扔一個東西的速度越快，它就會落得越遠。
但因為地球是圓的，只要扔得足夠快，這個東西一直會在天上飛，如果繞著地球，就是一顆人造的地球衛星。
速度得是多少？第一宇宙速度——7.9 km/s，每秒鐘走7.9公里。這個速度非常快，差不多是高鐵速度的100倍。用這個速度繞地球一圈，只需要一個半小時。
如此快的速度，牛頓當然實現不了，牛頓同時代的人也實現不了。
牛頓之後還出了一名非常著名的科幻作家凡爾納。他認為可以把人或設備裝在炮彈裡，利用大炮發射上天。
後來我們當然知道這個方法行不通。因為大炮爆炸的那一瞬間，衝擊力實在是太大，遠遠超過了人體和很多機械設備可承受的範圍。
所以直到齊奧爾科夫斯基，這個問題才得以解決。齊奧爾科夫斯基是目前為止人類公認的航天之父。
很多航天院所都把他的一句話刻在牆上。“地球是人類的搖籃，而人類不可能永遠生活在搖籃裡。“或者說，沒有人會一直生活在搖籃裡，人類總有一天要衝出地球，走向太空。
著名的齊奧爾科夫斯基公式是他通過研究氣體動力學發現的公式。它解答了要達到牛頓所說的速度，需要裝多少燃料，這個燃料要以多大的速度噴出去這樣的問題。
但燃料的燃燒本身是一個非常暴力的過程，控制不好就可能造成像萬虎那樣的悲劇。所以在齊奧爾科夫斯基那個時代，他也沒有辦法把人送上天。
並且他那個時代的人們都覺得上天是不可能的事。所有關於航天的論文都被拒稿，不能發表。齊奧爾科夫斯基只好把他的想法寫成了科幻小說。
其中一部著名的科幻小說——《在地球之外》，詳細地講述了一幫科學家怎麽做火箭，怎麽做宇宙飛船，然後乘坐宇宙飛船，伸向太空，探索月球和小行星，最後平安地回到地球。
可以說它不僅僅是科幻小說，還是一個偉大的科學構想。
齊奧爾科夫斯基當時沒有能力實現這個科學夢想，但他的學生科羅廖夫成為了第一個造出人造地球衛星，並將其成功發射上天的蘇聯科學家。
在這之後，他還把人類歷史上第一個宇航員，第一個太空人——加加林也成功地發射上天。
我們都知道加加林是人類的第一個宇航員，是人類探索太空的英雄，但科羅廖夫才是這個英雄背後真正的功臣。
同樣在第一個登月的宇航員阿姆斯特朗身後的英雄——馮·布勞恩也深受齊奧爾科夫斯基的影響。他的筆電裡記錄許多有關這位航天之父解決問題的想法。所以，這是人類在一脈傳承下從地球到登上太空的壯舉。
尋找地球的替代星球
通過回顧，我們可以認為人類登上太空大概經歷三個階段——牛頓提出科學原理，我們需要飛得足夠快來脫離地球；齊奧爾科夫斯基提出合理的技術路線，我們要用火箭把人或設備送上太空；最後再由偉大的科學家科羅廖夫和馮·布勞恩將夢想落成現實的工程實施。
完成這些後，我們就發現不僅要去月球，還應該像齊奧爾科夫斯基指出的那樣，去進一步探索太空中的其他星球。
我們的第一個目標就是太陽系中的其他行星，包括由地球往外的木星、土星、天王星和海王星。到目前為止，我們已做了很多的探索。這一幅圖比較複雜，基本上一個圈就對應著一個探索計劃。
我們看到去月球的次數是最多的，還去過木星、天王星、海王星。
現在回到最初的問題，如果要衝出地球孤島，我們的飛行器必須要飛得足夠遠。而目前我們飛得最遠的飛行器是哪一個？
從1977年發射到現在，已工作43年的旅行者號。它包括兩艘飛船，旅行者一號和旅行者二號。
他們都是1977年出發，約兩年後到達木星，又約兩年後抵達土星，從此分道揚鑣。
旅行者一號離開了黃道面——所有這些行星都繞著太陽轉的平面，往上飛。而旅行者二號留在黃道面繼續探測天王星和海王星。
事實上，不管是旅行者一號，還是旅行者二號，都只是輕輕地從旁邊飛掠過去，真正觀測這些行星的時間是很短的。
事實上我們所說的太空並不是真正意義上的真空，它還充滿著各種各樣的物質。其中有一種物質就是太陽風。
而在旅行者號離開這個行星的時候，行星與行星中間有太陽風。
太陽是一個巨大的火球，可以把它想象成一鍋燒開的水，總有物質要從溫度很高的地方往外冒，就像水蒸氣要從開水中往外冒一樣。太陽風就是像這種從火球裡頭往外冒的水蒸氣。
太陽風的範圍很廣，但是旅行者一號和旅行者二號目前為止都已經飛出太陽風的邊界。這張圖左邊的黃色部分就是太陽風之外的恆星際風。藍色的部分是太陽風覆蓋的範圍。
旅行者號已經飛出了太陽圈以外，而不是太陽系以外。天文學上定義的太陽系是太陽引力控制的範圍。直觀點說，就是繞著太陽轉圈的都算太陽系。
而繞著太陽轉圈的，除八大行星以外，還有離太陽1000個天文部門以外的奧特星雲。
它也繞著太陽轉圈，是太陽系的一部分，一直延伸到10萬個天文部門以外。
旅行者號飛了40年，目前飛了大概100個天文部門，如果要飛到10萬個，至少要4萬年。
即使考慮人類在接下來的十年二十年技術進步速度提高十倍——4000年，再提高十倍——400年，但400年也受不了，我弄個飛船肯定是希望在有生之年能看到它飛出去。
所以這裡就有個非常悲觀的結論：以現有的技術，我們沒有辦法飛出太陽系。那麽我們就先在太陽系內部找生命可能生存的星球。
除了飛掠這些行星的飛行器，還有一些可以繞著這些行星轉圈，進行深度長期的觀測。例如伽利略號，但它的整個飛船歷程十分不順。
1986年，按計劃，它是要搭乘亞特蘭蒂斯號太空梭上天，原本已經拖到發射場準備發射，但趕上挑戰者號太空梭爆炸，所有的太空梭都必須停飛，伽利略號就發射不了。
幾年後，它可搭乘太空梭上天了，但又趕上環保主義者擔憂萬一控制不好攜帶核燃料的伽利略號，在回到地球時發生爆炸，劇毒的核燃料會造成人類無法挽救的後果。
當然後來這個事被平息下去了。科學家有足夠的擔當，在設計一個項目時不能保證它百分之百成功，但是會盡最大的努力來實現百分百的成功。
如果真的是有非常大危險的話，科學家是寧可不做的。
伽利略號核燃料爆炸洩露的問題是可控的。因為我們把核燃料層層包裹住，就算是它撞到地球上，最終的結果也是它炸了，但是核燃料還是不會發生洩露。
雖然伽利略號的整個歷程非常艱苦，但是還是成功地抵達木星，並對木星的衛星都進行了很好的探索，例如木衛一、木衛二、木衛三、木衛四。
地球外生命存在的可能
伽利略號很詳細地研究了木衛一上的火山。有人說火山其實是生命的希望。
就某種意義上講，它是個能量的來源。因為太陽光在木星非常弱，或者說那個地方的太陽光能源不足以支持生命的活動，所以如果有其他來源，就說明有可能有生命的存在。
第二個是火山其實說明這個星球還在演化的過程中。我們都知道地球上的生命也是演化出來的。地球也不是從它誕生時就適宜生命生存。整個生命的產生到最後形成人類的存在，都是演化的結果。
除了能源和演化，我們還發現另外一個生命生存非常關鍵的因素——水。伽利略號在歐羅巴，木星的第二顆衛星上找到了水。
木衛二表面有一層冰的殼，但在冰的下面，就像南極一樣，上面是冰山，下面是很大片的地下湖泊。
如果將木衛二與土衛七和月球進行比較，我們發現木衛二的表面像雞蛋殼一樣非常光滑。而土衛七和月球上保留了這億萬年來被小行星撞擊的大大小小的傷痕。
小行星就這麽偏愛土衛七和月球，就不去撞木衛二？不是的，木衛二肯定也被撞擊過。它的表面之所以光滑，是因為它底下是流動的液體。一旦被撞出一個坑後，它一流動，這個坑就變沒了。
就像我們淌過一攤水，過去之後，這個水面又恢復了平靜。這樣大大小小的撞擊坑，就不見了。
通過下圖可以發現在火星和木星之間，有一個巨大的小行星帶。裡面分布著大大小小的許許多多顆小天體。
從長時間來看，它們其實是地球，或者說在太陽系的範圍內物質交換的媒介。
說不定就是一枚帶著生命種子的小行星，來到了地球。地球才有生命，開始繁衍。
也說不定哪一天，因為小行星的撞擊，有一塊小小的地球隕石也帶著生命的種子來到了太空中，也許經過長期的演化，就存在太陽系中的某個角落。
雖然前面分析了那麽多，得出一個非常悲觀的結論——以現有的技術，我們沒法飛出太陽系，但我最後還要說，兩百年後，我就要飛出太陽系。
大家可能覺得很驚訝。但我認為科學家在利用現有的技術推算未來時，往往是非常保守的見地，就好像齊奧爾科夫斯基在推斷人類何時能夠飛上太空一樣。
他在二十世紀初的時候預言人類在二十一世紀才能夠開始探測宇宙和太空，但是事實上在1957年第一顆人造地球衛星就上天了，人類進入了太空時代。
所以，我們也不能排除約200年內造出能飛出太陽系的飛船的可能。一方面，我們寄希望於技術的進步，甚至是一些原理性的進步。另一方面，在宇宙中的生命是必定存在的。
我們如果能夠飛出太陽系，興許就能夠找到生命，並且發現一個讓地球生命也能繼續繁衍、繼續生活的樂土！
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。
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