作者：欧阳自远
出品：新浪科技《科学大家》 墨子沙龙
欧阳自远：中国科学院院士、发展中国家科学院院士和国际宇航科学院院士，我国陨石学与天体化学领域的开创者。现任中国科学院地球化学研究所研究员，国家天文台高级顾问。
1993年以来，主要从事中国月球与深空探测的近期目标与长远规划的制订，设计我国首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标，是中国探月工程的首任首席科学家，现为月球探测领导小组高级顾问。
欧阳自远院士长期从事陨石学、月球科学、地球与行星科学研究60多年，成果获国家科学大会奖、国家自然科学奖和科技进步奖多项、贵州省最高科学技术奖，中科院自然科学一等奖和科技进步一等奖、工信部科技进步特等奖、国家科技进步特等奖等。
（内容整理自墨子沙龙"向太阳系的星辰大海挺进"活动）
谢谢主持人的介绍，感谢墨子沙龙的邀请，很荣幸能参加墨子沙龙的活动。我今天要讲的题目是向太阳系的星辰大海挺进。
大家看到这个题目可能觉得不对，我们现在总是说要向宇宙进军，要揭开宇宙的奥秘，要进行星际的探测，但我还要是老老实实地说，现在人类的能力和水平只能向太阳系的星辰大海挺进。我大约分五部分，来介绍这里面的内容。
前言
人类自古以来深受神权影响，当时在欧洲最流行的地心学说，说的是所有的天体都围绕着地球转。太阳是绕着地球转东出西落，整个宇宙都是绕着地球转，地球是中心，这也符合上帝创世的传说。
1543年，哥白尼提出了日心学说，即太阳系的这些行星，都受太阳控制，一方面自转，一方面绕着太阳公转。这是一个革命性的发现，也带来了科学的蓬勃发展，让我们从此对整个太阳系的认识走向了一条正确的道路。
日心说被证实后，大家就要研究整个宇宙尺寸、历史等。从哥白尼以来的500来年，经过科学家们的不懈的努力，我们认为宇宙在大约138亿年前有一次大爆炸，形成了千千万万个星系，而现在宇宙可见的半径大概有460亿光年。
宇宙的年龄大约138亿年，宇宙大爆炸形成了千千万万个星系。宇宙可见半径为460亿光年。宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物构成的统一体。
宇宙形成了千千万个星系，我们居住的星系叫银河系，中国古代叫天河。银河系只是宇宙千千万个星系当中的一个，直径大约有十万光年，也是非常庞大而浩瀚的。
一条天河上面有很多星星，"天上的星星亮晶晶"。因为天上的星星自己可以发光，所以才能被看到。银河系里有那么多星星，我们的太阳是千千万个星星当中的一个，现在已经知道银河系里大概有2000亿个"太阳"，我们的太阳是其中一个，在银河系的一个悬臂上。这2000亿个"太阳"中，每个"太阳"都管了一串行星。我们所在的地球，也只是太阳系管辖的八大行星之一。银河系里的"太阳"，哪个"太阳"比较大，带的行星可能就会比较多。在银河系里2000亿个"太阳"里，我们所在的太阳系是银河系里面普普通通的一个。所以即使以银河系的尺度来看，我们都是沧海一粟，所以以人类现在的探测能力，只能探测到太阳系。
1977年，美国发射了两个探测器，叫旅行者一号和旅行者二号。到今天飞了44年，这44年一直以第三宇宙速度，每一秒钟飞16公里，这速度看起来很快，但44年飞了多远呢？就在下图中弓形激波旁边，蓝色三角形显示的位置。而太阳系到底有多大呢？地球跟太阳的距离是1亿5000万公里，我们把它叫做一个天文单位，太阳系管辖的范围有10万个到20万个天文单位，即15万亿到30万亿公里。那旅行者一号二号飞到哪了？只飞了260亿公里。
1977年发射的"旅行者1号、2号"，飞行44年到达距离地球260亿千米（~174天文单位），到达太阳系半径的千分之一。
我们太阳系的邻居，正式名称叫半人马座阿尔法，中国人叫它比邻星，天涯若比邻的意思。太阳跟比邻星的距离，有15万亿到30万亿公里。那么旅行者一号、二号只飞了太阳系半径的千分之一。所以假如从地球上发射探测器，以现在人类的技术水平，大概要三万年才能够飞出太阳系到半人马座，比邻星管辖的范围。所以以现在的能力，我们根本出不去。
旅行者一号、二号是国际上非常有名的探测器，他们开始以为路上一定能够碰见外星人，所以录了一些光盘，一边飞一边放出来，向外星人问好。另外挑了一些非常好听的乐曲，比如我们中国的"高山流水"也被挑进去了，希望外星人喜欢我们地球人类的音乐。但飞了40多年了，现在还在太阳系里头。
下图在太阳的旁边的是八大行星，太阳系外面还有更浩瀚的奥尔特云，要飞三万年才能飞到。太阳系有八大行星，而我们去年才去火星，所以我们现在人类的探测只是行星际之间的探测，还要几十年才慢慢地飞过这八大行星，还要上千年、上万年，才能飞出太阳系。所以我老老实实地说，我们人类现在深空探测的任务，就是要探测行星际空间的太阳系。
太阳系的半径10-20万天文单位，15-30万亿千米，大约2—3光年。飞行器以第三宇宙速度飞行（16.7km/s），至少需要3.2万年才能飞出太阳系的边界。
这几十年以来，科学家们也想，银河系里2000亿个太阳，应该也会有另外一个地球，也会有外星人和高度发展的文明？所以这几十年以来，科学家们发射了一系列太空望远镜。我们去不了，但是望远镜可以看见，就可以去寻找，有没有哪个"太阳"的哪颗行星像我们的地球，它的大小、与太阳的距离跟我们差不多，有没有可能培养出物种，甚至出现智慧生物，建立高度的文明。
科学家抱着极大的期望，发射了那么多的太空望远镜，著名的有哈勃望远镜、开普勒望远镜等等。经过这几十年的努力，在银河系里找到了700到800个比较像地球的行星。那上面是不是有外星人呢？这虽然引起了科学家极大的兴趣，但是很遗憾，距离地球太遥远了，无法进行探测。比如开普勒找到了地球的一个表兄弟，或者叫"2.0版"的地球——开普勒186f。它离我们地球有500光年。也就是我们用望远镜看到它的形貌，是他500年前的情况，光从它那儿传到地球要经过500年的时间。
Kepler-186f距离地球~500光年（对应于明朝中期）；有些类地行星相距1800光年（对应于汉末三国时期）
我们现在人类的技术飞一个光年大概要一万年，光每秒钟30万公里，而我们的探测器一秒钟十六七公里，速度差的太远了。俄罗斯有一位科学家齐奥尔科夫斯基（1857—1935），他的墓志铭上说，"地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里。开始，他们将小心翼翼地穿出大气层，然后便去征服太阳系"。应该说，从他逝世到现在80多年了，他的预言是非常正确的。1957年，苏联发射了第一个人造地球卫星，宣布了人类空间时代的到来。令人更没有想到的是，1958年美国和苏联两个超级大国去探测月球，实现了人类飞离地球、开展深空探测、去月球探测的梦想。紧接着， 1960年苏联发射了火星一号探测器，美苏又去探测火星。我们的每一步都相差他们大概半个世纪。
更没有想到，1961年苏联加加林上天，而我们的杨利伟同志是在2005年上天。发展更快的是美国。1969年，阿姆斯特朗搭载美国的探测器着陆在月球上，实现了人类第一次着陆。有两位航天员，一个是阿姆斯特朗，一个是奥尔德林。阿姆斯特朗说，"这对我个人来说是一小步，而对人类来说是一大步"。而我们国家是一位后来者，但我们要加快步伐，有自信一定要实现月球探测、太阳系的探测。
当代的太阳系探测：月球探测是起点，火星探测是热点，小行星探测是亮点，行星际穿越探测是难点！
月球探测是起点
深空探测指的不是绕着地球的卫星、空间站等，这些不属于深空探测，而属于近空探测，因为它离地球太近了，四五百公里距离。而深空探测的最低限度要到月亮，38万公里，所以月球探测是起点。在1957年，苏联发射了第一个人造地球卫星，引起了全球的震撼，这是空间时代到来的标志。
而1957年，我刚刚大学毕业不久，学校分配我去考副博士研究生。我们国家要工业化，一定要找到资源和能源，而工业化最重要的是铁和铜。但1957年的时候，我们年轻的共和国成立也还不到十年，百废待兴、一穷二白。我们当时没有能力发射地球卫星，更没有能力冲出地球，进入太阳系的空间。即使在这个时候，我们国家也很有远见地成立了很多庞大的、航天相关的公司和集团，比如后来的中国航天科技集团、中国航天科工集团，以及中国电子科技集团等。一个个集团的相继成立，说明国家下定决心一定要发展高技术。
我们国家的大方向抓得非常对。在1970年我们也发射了第一颗人造地球卫星，可以发射导弹、火箭、卫星，慢慢也可以发射飞船了。我们逐步加快速度，去追赶那些航天大国。
首先要解决探月技术问题，这是个根本，解决别人对中国人能力的质疑。但是去月球干什么？月亮上有什么科学问题？探索月球对人类究竟有多大的意义？这些问题都要进行严肃的讨论。
我发现当时没人论证、准备这些问题，在这种情况下，我就说那我来考虑一下。我是学地质的，对地球比较了解。地球、火星等八大行星都是太阳系的兄弟姐妹，是一个家族的。在了解了地球之后，就可以基本知道他的兄弟姐妹有哪些基因。虽然他们每个人生存的环境、地位不一样，每个人的个性也有不同，火星是这样，金星是另外一个样子，而水星又有一番样貌。但是我有地球科学的基础，再了解一些其他几颗行星，就能够知道到月球上该干什么，到火星上该干什么，能得到什么。
所以当时，我想应该怎么下手去做呢？最后找到了一个办法，从太阳系的起源开始考虑。太阳系是在银河系里面的一团星云慢慢地运动凝聚起来，最后形成了八大行星和整个太阳系。太阳系可能只是第一代，第二代甚至第三代星云，并不是最早形成的。宇宙有138亿年的历史，而太阳是50亿年以前诞生的。四周的尘埃、气体，都绕着太阳转，而如今这些尘埃气体呢？太阳年轻的时候火力很盛，而且温度很高，把星云里面的那些尘埃颗粒，都给融了。融掉以后，它们慢慢的在不同的轨道聚集起来，形成了现在的八大行星。
太阳系的形成过程。球粒陨石是形成太阳系的原始物料。
所以我找到了形成太阳系最原始的东西，这个东西叫什么呢？叫球粒陨石。太阳系在星云里把这些尘埃都融了，然后慢慢冷下去，这些像水珠一样的东西慢慢结晶出来，在显微镜下可以看到一个个的小球。这些是组成地球等行星的原始物料。我要从根本上看看它们是些什么东西，有什么成分，是怎么形成的。有了这一步，好了，最后八大行星都是由这些东西组成的。
我也测出了那些球粒陨石的年龄，大约是46亿年。在45.5亿年或者45.6亿年前，地球才开始从胚胎慢慢演化。这些东西组成现在行星。另外还有一些更小的碎块，也慢慢汇集起来，就在太阳系里面分布着大大小小的多极，我们叫做小行星。这些球粒陨石碎块聚集起来后，因为含有很多放射性元素而产生很高热量，小行星被融化了。类似炼钢炉里，重的物质往下沉，轻的往上浮。我们的地球、月球也经历了这样的过程。
46--45.5亿年，太阳系行星形成
结果所有的小行星、月球、地球，它们的核心部分叫铁镍核心，是比较沉的物质，沉在化铁炉的底部，而上面的炉渣全是石头。所以，每一个小行星、卫星、行星，都经过这样的分异，把这些天体变成好多层。假如一个小行星被撞碎，它的核心部分形成的陨石就是我们后来找到的铁陨石；靠外侧的部分，有石头、有钢铁形成了石铁陨石；最外面只有石头的部分，形成了无球粒陨石。
所以我就开始研究降落在中国的各种类型陨石。一种就是铁陨石，这种铁陨石的结构剖开后有一种花纹，这种花纹，是现在的冶金学家做不出来的。因为它的炉子是100万年一度、经历上亿年的冷却，最后凝固成为合金。这是天然炼出来的合金，人类无法仿制，这是铁陨石的特点。
陨石是空间探测研究进门的一个很重要对象。从1958年，我就开始研究我们天上掉下来的各种各样的陨石。最有名的就是1976年，吉林降落了一次陨石雨，那是球粒陨石，是最原始的陨石，也是世界上规模最大的。着陆的时候，它通过大气层高速冲进来，一大块碎成了三个大火球，往最前冲，最后很多碎块噼里啪啦地掉在地上，降落在吉林市的北郊，分布面积大概500平方公里。当时国家组队，我带队去考察吉林陨石，发表了100多篇论文。
之后我就慢慢做各种各样陨石的研究，开始了解月球、地球、火星最原始的物质是什么。后来这些物质融化再改变，会变成什么样子，它的历史我也可以大概知道。不用去月球，如果有一个小天体撞在月亮上砸了一个大坑，那些石头就会被粉碎后抛出来，当然99.9%要降回到月亮上去，但总有一些逃离了月亮引力，在太阳系里面乱飞，有机会掉到地球上来。
现在人类已经找到了大概400多块从月亮上掉下来的月球的岩石，300块从火星上掉下来的岩石。同样的方法，我可以研究月球、研究火星。大家开始通过了解地球，从而推测月球的原始物质是怎么一步一步变成现在月亮上的样子。
当时美国技术先进，可以派无人机飞到 40公里的高空去收集太阳系的尘埃，当时那个地方的那些尘埃都叫宇宙尘埃。中国没有这个技术，所以我们采取了另外的一个办法。在20世纪80年代初的时候，中国可以造出特别大的高空气球。大概有几层大楼高，底下吊了一个吊篮，那吊篮就是收集器。首先让它在北京放飞升空，放到了37公里的高空，一般飞机飞不了那么高，之后碰到西风带，就把气球就吹到太平洋，慢慢吹到了太平洋。之后开始抛沙，气球就变轻，继续上升到40公里的高空，和美国的无人机高度一样。
我们也带了很多收集器，也可以收集到高空的各种宇宙尘埃。从1958年开始研究，到1978年美国要与中国建立正常外交关系，双方确认在1979年1月1号中美正式建交。为了准备好建交事宜，美国时任总统卡特命令他的安全事务顾问布瑞金斯基到中国来访问，来商谈具体事宜。卡特总统有两样东西让他带给中国领导人，一样是一面书本大小的中华人民共和国国旗，并说，这是我们美国人把中国的国旗带上月球又带回来的。另一样是一条有机玻璃，里面有一块石头，有机玻璃本体做成了一个凸透镜，并说这是我们美国人从月球上采回来的样品。这两件珍贵的物品作为建交的礼品送给中国。
这面国旗是不是带到月亮上又带回来的无法考证，但这块样品，中国有没有哪位科学家可以做做验证，它到底是不是月亮的石头啊？于是中办打电话问了高教部，说大学里头有没有哪位教授研究过月亮的石头，回答是没有一个人做过。
后来又问中国科学院，中国科学院也说没人搞过。那怎么办呢？后来中国科学院想起来，说这儿有一个研究员，专门研究天上掉下来的东西，是不是可以让他来研究一下是不是月亮的石头。当时就通知我们去领这块石头。领回来以后，我非常高兴，因为有机玻璃是透亮的，可以直接看到里面这块小石头，大概有小拇指大小。
我组织全国相关的实验室，包括核工业部、冶金部和中国科学院的同志，共同来研究这块小石头。我分了一半送给北京天文馆，说你们好好展出，让中国人也看看什么是月亮的石头。
最后全国一共发表了14篇文章。后来美国NASA的官员遇见我说，欧阳，我们什么都没讲，结果你们全知道了，而且了解的比我们还多，你们还是有能力的。所以我也是这样一步一步的，完成这些工作。我当时还写了一些书，像《月球科学概论》，《天体化学》等等。另外也写了一些科普书。总之，我们从准备工作，一步一步地克服各种困难，从1958年最后到1993年，准备了35年，培养了一支队伍，建立了相关的实验室。我们中国除了能够到月球，火星以外，我们取回来的东西，也可以研究它的一些过程。
所以，我们向国家报告，中国现在可以去探测月球了。但国家说不行，你们要进行科学论证。我说要做什么论证？回复说，中国为什么要去探测月球，它的可行性怎么样，它的必要性又是怎么样？我们准备了一年多报告，结果863的评委说太好了，就中国有可能搞，而且有必要搞，完全可以搞成月球探测。论证通过后，国家还说不行，不能只发一次探测器，探测器发完后该怎么搞，你们还应该制定一个长远规划，分哪几步完成月球探测。我们又准备了一两年，做了各种调查，最后答辩的时候大家很高兴，就按这个办法，按这个规划去做。
我们规划的第一步是无人月球探测。这又分三小步，第一，发射一个月亮的卫星，绕着月亮飞，飞一个月下来，月亮的一圈全看到，就能全面地了解月球。第二步叫落月探测。落下去对某一个重点地区进行精细的探测，可以解决更深入的问题。再下一步，取样返回，这些都是不带人的。
这些工作后来就被命名为嫦娥工程。嫦娥一号、二号是绕月探测，嫦娥三号、四号是落月探测，嫦娥五号、六号是取样返回，都是无人探测。有了这个基础后，载人登月、建设月球基地可以按这个基础做下去。后来国家又说，第一次到月亮上去干什么，有什么科学问题，怎么实现这些探测任务？又搞了一两年，就是研究中国月球探测的科学目标。我不懂技术，技术有专门的大企业去完成，我只负责其中的科学研究。后来成立了中国探月的领导小组，有栾恩杰院士作为总指挥，和孙家栋院士作为总设计师，又加了一个首席科学家，任命我去承担这个任务。这样我们三个人组成了一个集体，人们称呼我们为铁三角，就开始了嫦娥一号的探测。
中国探月工程的进展
2004年国家批准了月球探测规划，从无人探测到有人探测，再到载人登月、建设月球基地等等步骤，都获得通过。这样的话，我们的月球探测的进展比人家晚了四五十年，嫦娥一号2007年发射，是一个绕月的卫星。当时制定了嫦娥一号的科学目标，每一次月球探测，都要放一些特殊的仪器上去。另外我们比别人晚去了几十年，有好多活人家都干过，比如月球的全月球地图、立体图，人家干过好多回了。不管怎么样，因为我晚去所以要比你做得好才有意义。另外，月球表面有哪些矿物、有什么资源、怎么分布等等，人家也做过了。我们也要做这个，这是探测的基础，是任务的保底，但我们要比别人做得好。另外，要测地月的空间环境，我们也有新招，但是我总有一两样你们谁都没干过，这是中国的创新。我们嫦娥一号完成了一个艰巨的任务，看一下月球土壤里头有多少氦3，这是人类从来没有测出来过的。
氦3有什么价值呢？现在人类的能源主要是煤、石油这些化石能源，还有各种各样的清洁能源，像水力发电、太阳能发电等。而核裂变发电已经出了好几次大事故了。下一步人类的一种终极能源，是研究太阳的核聚变能源。100多年以前，人们搞不清楚，凭什么太阳每天都光芒万丈？后来知道了，太阳上一直在进行大规模的长时间的氢弹爆炸。人类在世界上造出了氢弹，这是人类当前最大的杀伤性武器。现在人类意识到，未来人类的终极能源是利用氢弹爆炸这种方式来产生能源，叫核聚变发电。这个聚变发电可以产生巨大的能量，用氢的两个同位素，氘和氚。但是氚在地球上的储量不多，并且具有放射性。所以很想找一个东西替代氚。后来科学家们研究发现，氦有一个同位素叫氦3可以用来进行聚变。但地球上也没有氦3，氦3是太阳风给的，而月亮光秃秃没有大气，太阳风可以直接注入到月球表面的土壤里。
所以我猜月球表面月壤一定有很多氦3。最后用专门的仪器探测出来，全月球的氦3资源，大概有110万吨。看起来没多少，只有110万吨。相比之下，中国现在每年消耗石油3亿吨，煤20几亿吨。这些能源都是按亿吨来算，你才百万吨。但是假如核聚变发电能用上氦3的话，每年全世界的用量是100吨。月亮现在有110万吨，至少可以解决未来人类一万年的需求。所以嫦娥一号取得了很大的成功。这是我们做的最好的立体图，正面、背面的全部成分。另外还有月球土壤里的各元素浓度、总量、分布，我们全做出来了。嫦娥一号发射后，紧接着在2010年发射嫦娥二号。嫦娥二号在一号的经验上，直奔月球。
月球正面与背面月壤中氦-3资源量的分布（10^-9克/m^2）。全月储量约103 ~ 129万吨。
嫦娥一号花了一年零三个月才完成任务。嫦娥二号大概半年全部任务完成，它飞得更低，做出来的图分辨率最高。全月球的地形地貌的立体图和平面图的分辨率达到七米。现在全世界都用中国的图。另外呢，由于嫦娥二号仅用半年就完成全部任务，可以让它干点别。后来刚好有一个小行星朝地球飞来，这是人类刚刚发现的，仅仅给它取了个名字，但是不知道它有多大、什么样子、会不会对地球造成威胁。曾经因为一个小行星撞在地球上，导致了全球的生态环境的崩溃，灭绝了100多万个物种，包括恐龙。而现在又有一个小行星来了，后来大家同意，走，去探测这个小行星去。因为小行星还没到，所以第一步走到离地球150万公里的地方，针对太阳监测了235天，人类得到有史以来最丰富的太阳活动探测结果。
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