華僑網 科技教育 这张我们无比熟悉的图片,竟来源于环地球轨道上的一次地球“自拍” | 格致论道讲坛

这张我们无比熟悉的图片,竟来源于环地球轨道上的一次地球“自拍” | 格致论道讲坛

导言:

我们的征途是星辰大海。

当我们回顾家园,

发现它竟如此之渺小的时候,

我想每个人都会受到巨大的心灵冲击,

你自己也会有明显的感受。

大家好,我是陈征,来自北京交通大学。其实这不是我第一次来到格致论道讲坛,只不过之前每一次都是扮演主持人的角色。今天我这个非著名、非专业主持人的身份稍有变化——虽然仍然是非著名,但将作为一名专业的物理老师,跟大家分享一下《探索星辰大海》的故事。

今天,我们的太空站已经实现了绕地飞行,“天问一号”已经抵达火星并且工作,我们不仅登上了月球,还来到了月亮的背面。我们对星辰大海的探索正在一步一步地拓展。

这些跟物理老师有什么关系呢?当然,所有的这一切,其背后遵循的基本规律都是物理。今天,我想从一个物理老师的视角出发,和大家一起回顾我们探索星辰大海的历程,感受一下人类是怎样从遥望太空到走向太空的。

从“蓝色弹珠”说起

故事先从这样一个画面说起。

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左边这张是微信的启动画面,大家几乎每天都会看到它。这张画面实际上有一个真实的照片背景,就是右边这张,它叫做“蓝色弹珠”,是在环地球轨道上为我们地球拍摄的一张“自拍”。

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▲ 地出

如果我们把“自拍杆”伸得稍微长一点,伸到月球,这个时候回望地球会看到什么样的景象呢?这幅图叫做“地出”,是在月球轨道上拍到的地球从月平线上缓缓升起的景象。

上世纪90年代,当旅行者号探测器即将飞出太阳系——当然我说的太阳系比较狭义,就是要跑到冥王星以外地方的时候,当时美国科学家卡尔·萨根就倡议了这么一个活动:让探测器回头给太阳系的几大行星拍了一组“自拍”,这里边就有一张地球的照片。

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▲ 暗淡蓝点

这就是“暗淡蓝点”。在这张图上,我们甚至很难找到地球在哪里,所以我在上面画了一个小小的蓝色的圈。蓝色圈里有一个特别暗的小亮点,那个就是我们的地球。在画面上你能看到几道比较明显的光,实际上它们只是镜头的炫光,并不是太空中的什么东西。

在这个过程中,我们的视角就逐渐从地面上来到太空中。回望一下自己,你就会发现世界好像变得大有不同。在这个过程里,很多人都会产生很多很深刻的体会,卡尔·萨根曾经写过一本书,名字就叫做《暗淡蓝点》。

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当他看着漂浮在宇宙当中的、仿佛灰尘一样的、那一个小小的亮点,他产生了这样的感受:我们的一切都在上面。你知道的、你听说过的、你认识的、你爱的、你恨的,历史上的王侯将相、贩夫走卒,所有有关我们人类的一切都在那一个暗淡的小亮点上。

我们的身边充斥着物质,充斥着高楼大厦。从这样一种环境,到那样的茫茫宇宙当中,当我们回顾家园,发现它竟如此之渺小的时候,我想每个人都会受到巨大的心灵冲击,你自己也会有明显的感受。比如对我而言,当看到这张照片,就会想到“滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄。”不知道大家对此有着什么样的感受呢?

从这个故事开头,是希望大家首先把我们对身边的这些日常放下,回到人类文明刚刚萌生的时候,回到最质朴的心态下,去看一看我们最向往什么,我们最关注什么。我想对于大多数人来讲,仰望星空是每个人都会做的事情,而对星空的无限想象,是驱动人类文明向前发展的一个非常重要的驱动力,这就是我们为什么要探索宇宙。

▲ 卡尔·萨根 Carl Edward Sagan

对于我们为什么要探索宇宙,卡尔·萨根讲过一句非常有诗意的话:因为我们就在宇宙当中,宇宙就是我们;我们是由组成星星的那些材料组成的,所以了解宇宙本身就是了解我们自己。

其实每个人都对星辰大海有着自己的一番想象,每个人也都或多或少的萌生过探索宇宙的想法。所以科幻小说里总有一个很大的主题,就是我们要到宇宙中去,我们要找到新的星球,找到新的家园,这样的故事非常非常多。

我也非常喜欢这样的想象,但作为一名物理老师,我们还必须多考虑一件事:除了希望获得那样的经历,我们还要想:应该怎么办?我们怎样才能真正去往茫茫宇宙?怎样真正到达遥远的地方,找到那个和我们现在的家园接近、我们能够生存但又别有一番洞天的世界呢?这就是我们今天要关注的话题。

探索宇宙“三步走”

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我们到底要怎样探索宇宙?我们如何迈向星辰大海?我把这件事简单地分成了看到、知道、达到三个阶段。

“看到”这件事非常简单,只要天气晴朗,大家晚上仰望星空时,就会看到漫天的星斗。星辰大海,它不但是一幅绚丽的画卷,还是一幅波澜壮阔的史诗,因为那些星星离我们非常遥远,我们同时看到的这些星光其实是它们在不同时刻发出的。

像月光只距离我们30万公里,它在几秒钟之内就能达到地球;我们看到的阳光是太阳8分钟之前发出的;而离我们最近的那颗恒星——比邻星,它大概与我们相隔4.2光年,大家看到的其实是4年多前的事情。

如果再遥远一些,对于那些距离我们成千上万光年的星系来说,我们看到的光已经经历了漫长的跋涉。在这些星系发出光的时候,也许地球上还没有人类,甚至没有人类的祖先,说不定地球在那一刻还没有形成呢!这实际上是一副波澜壮阔的史诗,然后我们对它产生了兴趣,开始去探究、琢磨,这些东西组成了我们今天所说的天文学。

北京天文馆的前馆长朱进老师曾经跟我讲过一个区分天文学的标准,特别有意思、也特别简单:天文学研究什么呢?天文学研究那些看得见、但摸不着的东西。比如满天的星星、我们只能观察的这些归天文学管;一旦探测器能上去,能够够着的时候,它就变成了一个需要具体实施的任务,变成了一项具体的工程,这就是所谓的航天工程;够着的那一部分就归地球科学或者叫行星科学管了,不再属于天文学。正因为天文学有这样“看得见、摸不着”,“谁也不能把它拿回家、揣兜里”的特性,它得以成为全人类共享的财富。

我们要怎样探索宇宙?

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从古到今,人类对天的探索从来没有止步,我们的工具也在不断地演进。在很早的时候,人类就是用肉眼看天,后来不管在东方还是西方,我们都有了专门的天文仪器。中国古代很早就掌握了一项叫做“牵星过洋”的航海技术,就是用一个牵星板,通过在晚间对着天空中的星星来帮助自己导航。

当然,人类的各个文明都对星星产生了众多的想象,这些想象又带给我们很多的神话故事。这些故事甚至催生了比如中国传统文化里的“天人感应”学说。中国古代与其他古文明都会有这种天赋论:我们人间的权利、人间的某些东西是上天赋予的。因此,观天甚至变得非常神圣,变成了一个国家非常重要的工程。

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▲ 肉眼观测工具

比如北京就有一个古观象台。这个古观象台上有一些古代的天文仪器,虽然直接观测星星的工具依然是我们的肉眼,但这个时候已经有了许多辅助工具,如浑仪、简仪、地平经纬仪、黄道经纬仪等,这些装置都凝结着大量古人的智慧。大家了解比较多的可能像郭守敬、一行的观测。还有苏颂的水运仪象台,通过水力机械,已经能够带动仪器自动化地运转了,虽然还需要你用肉眼看一看。

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▲ 左:折射式

中:反射式

右:折反式

接着便是望远镜的出现。其实望远镜本身并不是伽利略发明的,但是他把望远镜指向了星空,让我们拥有了更加强大的观星武器。望远镜也经历了几个阶段的发展,从伽利略那种简单的折射式到牛顿的反射式光学望远镜,今天还有更先进的折反式的光学环境。

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大家看到的这张图片就是我们的郭守敬望远镜——一个大口径的光学望远镜。

但是光学望远镜它能看到的终究是有限的。随着科学技术的进展,我们看天的范围也变得越来越广宽。我们有了射电望远镜,从肉眼可见的、电磁波谱里边很小的一个区段,逐渐扩大到可以收整个电磁波。

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我们非常熟悉的位于贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST),它就被用以观察天文。

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因为有了大量的望远镜,我们今天也有了一些非常有意思的观测。比如我们通过8个不同的位于全球各处的射电望远镜,利用干涉测量的技术,形成了一个口径与地球截面相当的望远镜,拍摄到了一个黑洞。

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大家看到这张黑洞图片的时候,经常调侃它很像蜂窝煤里的一个眼。它是人类首次拍到的黑洞照片。

但是,即便是足够遥远的星星,它发出的光也不可能让我们看到宇宙大爆炸开始的那一刻发生了什么。因为宇宙大爆炸开始的那一刻,整个宇宙都在一锅沸腾的量子热汤之中,某一个量子系统发出的光会迅速地被周围的其他物质吸收掉,没有办法发射出来,没有办法把信息携带出去。

直到整个宇宙冷却到一定程度之后,这些物质发出的光才能够持续地飞行下去。在天文学家口中,这段时间叫做最后散射面,就好像我们和宇宙大爆炸之初中间隔着一块毛玻璃,我们只能看到这块毛玻璃出现之后宇宙给我们留下的信息。宇宙大爆炸的那一刻到底发生了什么,我们不知道。

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▲ 引力波探测器

而引力波是一种全新的看天的手段,我们有可能去了解宇宙大爆炸那一刻发生了什么。这个是我们在“看到”这件事上所做出的最大的努力。

但是不管怎么说,在这个过程中,我们都还只是“看到”。虽然我们看得越来越清楚,但是看得见摸不着是一件很痛苦的事情。我们当然不会只满足于“看到”,是不是?所以我们还要了解背后的原因,最后我们还希望到那里去。

人类对宇宙认识的演进

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在“看到”之后,我们就开始琢磨:这个天到底是怎么回事?星辰大海到底是怎么回事?

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▲ 天圆地方

中国古代认为天圆地方。在《三国演义》里,刘备初次探访茅庐拜访诸葛亮的时候,就有农夫唱了一首歌,让刘备觉得它应该是位很有学问的人写的。那首歌的前几句是这么唱的:“苍天如圆盖,陆地似棋盘,世人黑白分。”这就是我们以前对天地的认识:即大地是平的,然后天像圆锅盖一样扣在地面之上。

后来通过对天象的不断观察,我们发现这个事情不那么简单。最直接的证据就是行星。相对于静止的星星而言,天上有几颗肉眼可见的、会发生运动的星星,它们就是我们所知道的行星。大家觉得反正行星在一个天球上,会跟着天球一块动,这件事看起来很合理。可是这颗行星走着走着,有的时候会倒退,有的时候还会停在那儿。

▲ 托勒密宇宙

出于对这些现象的思考,人们逐渐建立了一些新的学说,这里比较有代表性的是托勒密构建的宇宙。他认为大地是个球,而且位于宇宙的中心,外边的太阳、月亮、行星、恒星是很多个套在一起的球壳,它们都围着地球转。后来因为逆行的现象,人们又在这个球壳上面的本轮上添加了一个或者多个均轮,总之这些星星都是这么绕着地球转的。

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▲ 哥白尼宇宙

到了哥白尼的时代,人们开始意识到,原来地球并不是宇宙特殊的中心,它和那些行星的地位差不多。我们大家都是绕着太阳转。

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▲ 现代宇宙模型

今天,我们对宇宙已经有了一个更加深入的认识:地球不是宇宙的中心,太阳也不是宇宙的中心。在银河系的范围内,我们的太阳系也只是猎户座悬臂上面的一个很郊区的地方。太阳系也不是特殊的,实际上宇宙中和它类似的星系非常多。那到底什么地方是宇宙的中心呢?我们甚至可以说宇宙处处是中心,或者宇宙没有中心,这是我们今天对宇宙的新的认识。

离开地面,走向太空

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当有了这样的认识,对整个宇宙有了更深刻的了解之后,我们就开始构造这条走向太空的路。我们要想达到星辰大海,大致也得分这么几个阶段:我们得先离开地面,然后飞出大气层,接着我们得能够离开太阳系,再之后才是在星际之间穿梭。

科幻小说差不多都聚焦在星际穿梭这个层面,但实际上,今天连我们走出太阳系都是一件非常艰难的事情。在离开地面走向太空的这条路上,人类走得非常曲折。

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这里不得不提的是,我们中国古代其实就已经有这种离开地面的想象了。大家都很熟悉高鼎的《村居》,甚至很小就会背:草长莺飞二月天,拂堤杨柳醉春烟。儿童散学归来早,忙趁东风放纸鸢——我们最早离开地面的手段就是放风筝。

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▲ 载人的风筝

据说春秋时期的鲁班就做过木鸢,其实就是一种载人的风筝。风筝从古到今一直延续下来,我们现在的很多玩法都基于这个方案。

▲ 左:翼装飞行

中:滑翔翼

右:动力伞

比如我们想到的其他一些离开地面的方式,翼装飞行、滑翔翼、动力伞,这些都可以帮助我们离开地面。但是它都是滑翔,对吧?

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如果想直接从低到高、原地起飞呢?我们又构思了一个办法,就是向鸟儿学习。我们模仿鸟儿制作了一对翅膀,滑翔加上动力之后,就能飞上天空。

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我们制造了各种各样稀奇古怪的飞机,在这儿我要跟大家分享人类制造飞机的初期。你看看,我们有多么大的脑洞,多么奇怪的飞机!有这种圆筒的、多层的;有骑自行车的、好多好多层翅膀的;还有这种看起来像大号风筝的飞机,这就是我们早期离开地面的方案。

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1910年洛杉矶国际航空展的时候,大家看到的飞机可以称得上稀奇古怪、千奇百态。但是到了今天,基于我们对空气动力学的了解,飞机逐渐趋向于同一个形状,因为它是一个最优解。

当然也有特别的,比如直升机、四轴飞行器等等,但它们都利用了空气动力学的基本原理,也就是流体力学。

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很多时候,我们粗糙地把它称作伯努利原理,不过实际情况要比这个复杂一些。但不管怎么说,它是借助空气飞起来的一种手段。只有一种借助空气的手段吗?其实不是。

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我们古人还想到了另一个手段,就是孔明灯。利用热空气和氢气比周围空气密度小的原理,就能获得浮力,把人带上天空。这个方案其实比飞机的方案成熟的更早,在1783年11月21号就已经有人离开了地面。

大家看到左侧这个人叫皮卡德,右侧是动画片《丁丁历险记》里的向日葵教授。实际上,向日葵教授的原型就是皮卡德,他是瑞士联邦理工学院的一位物理老师,和我是同行。但这个人比我厉害多了,他厉害在哪呢?他是第一个乘坐氢气球到达平流层的人类。后来,他的儿子参与制作了世界上第一艘深潜器并到达海下一万米。前些年,有一名驾驶着“太阳动力二号”环球太阳能飞机航行的驾驶员,也叫皮卡德,也是他们家族的人。

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皮卡德甚至曾经参与了第五届索尔维会议,在这张人类历史上最著名的照片中,我们都能够看到他。

我们如何走得更远?

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直到今天,我们还在用探空气球,可是这个方法依然不能飞出大气层,我们就想到了别的办法。

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▲ 上左:万龙出水

上右:万户飞天

下:水火箭

这个办法是什么呢?就是我们中国古代的火箭,也是今天有的学校还会制作的水火箭。这时候它就不再依赖空气的动力了,而是什么?是反冲运动。

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在《加油向未来》这个节目里,我们就曾经用200多个可乐瓶做的水火箭,把两个人推到了空中,大家看到这个场景也非常的震撼。

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实际上火炮的发射也会利用到反冲。当我们有了反冲运动后,再逐渐解决第一步,不掉下来;第二步,飞得更远;然后第三步,飞得越来越远。有了基本的反冲运动、动量守恒的基本道理,就可以带着我们飞向宇宙。

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今天我们利用反冲运动,利用这种不依赖于大气层的手段,已经能让火箭飞离地面,把我们的航天器送出大气层。绕月球的飞行器、到达火星的飞行器、正在绕着地球旋转的空间站,它们都用这种反冲运动冲出了地球。

我们甚至可以想象《流浪地球》中的场景。如果你去做计算的话,会发现按照电影《流浪地球》里的设定,如果想要获得那么大的推力,即便以光速的千分之一抛射物质,我们也需要每秒钟抛射50亿吨等离子体,这样才能把地球推起来。

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▲ 左:175米正常蓄水位高程,总库容393亿立方米,即393亿吨

右:目前世界上最大的载重卡车797F,额定载重315吨

而50亿吨等离子体是什么概念呢?这意味着我们要在8秒钟之内,把整个三峡的水喷光。电影里边用到了矿车,即使我们找到了现实生活中最大的载重315吨的矿车,这1秒钟的消耗也需要大约1600万辆这样的矿车。

所以到今天为止,我们还只能推动很小的飞行器。如果想像《流浪地球》那样,在未来带着整个家园飞向远方,恐怕还有很长的路要走。

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▲ 引力弹弓

那么在飞行的过程中,我们还可以借一些力,比如借助不同的星体,如月球、金星、木星、火星等,靠它们的引力弹弓带给我们一些加速的手段,但这些都还只是辅助。

未来我们想走得更远,实现星际之间的穿越,有什么方式呢?物理学家还在探索,大家还可以开脑洞。

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▲ 左:空间曲率驱动

右:时空折叠

目前,可能大家比较关注像《三体》里边提到的空间曲率驱动,我们甚至希望实现时空折叠,通过黑洞和白洞中间连接的桥穿越时空。但是这些都还只是大家的想象,或者出现在一部分理论家的数学推演当中,我们还没有在现实中观测到,目前的物理还不支持我们这么容易地做星际穿越。

但是我们还是希望大家保持着对星空的好奇,保持着这种信念,试图去探索星辰大海,说不定哪天你就找到了那个能让我们在星际之间旅行的方法。

我的演讲就此结束,感谢大家!

– END –

文章和演讲仅代表作者观点,不代表格致论道讲坛立场。

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■ 背景简介:本文2022年9月28日发表于微信公众号 格致论道讲坛(这张我们无比熟悉的图片,竟来源于环地球轨道上的一次地球“自拍” | 陈征),风云之声获授权转载。

■ 责任编辑:SS

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