2019-07-11 13:47

在我们有生之年,或许能见证人类实现星际航行

造就第442位讲者 王玲华

北京大学地球与空间科学学院教授

封面来自电影《星际穿越》

 

我是一个大学老师,我的研究方向是空间物理学,可能很多人并没有听说过这个学科。我第一次听说是在1995年,当我进入北京大学学习的时候。


空间物理学是什么呢?顾名思义,它研究的是太空空间中的物理过程和物理现象。


有人可能会问,空间物理学跟天文学有什么区别?空间物理学主要是利用空间飞行器(例如人造卫星和航天器)来研究太空中的物理过程和物理现象,而天文学主要利用的是望远镜的遥测手段。



我们看这幅图片,它把整个三维的宇宙空间简化到了一维的对数坐标中,可以看到这边以太阳为起点,地球与太阳的平均距离是一个天文单位(AU)。再往外我们可以看到木星、土星这些我们熟知的行星。这个区域是太阳系日球层与星际空间的边界之处,目前旅行者一号和旅行者二号卫星正位于边界附近。再往外我们可以看到这里,它是与太阳最近的恒星——比邻星所在之处。


依据观测手段的不同,空间物理学和天文学的研究空间范围是有区别的,简而言之就是人造卫星现在能够达到的区域归我们,人造卫星现在达不到的区域归天文学。


空间物理学是一个非常年轻的学科,它与整个人类进行太空探索的能力密切相关。



前苏联于1957年10月4号发射了人类的第一颗人造卫星,标志着空间时代的开启。



这一事件极大地刺激到了美国,促使美国开始加速研究进程,并使得其在隔年1958年发射了第一颗卫星——探险者一号。


这颗卫星进行了很多重要的观测,其中一个是它表明了在离地球附近的一片区域中,汇集了大量高能带电粒子,这个区域被称为辐射带。


辐射带的发现,标志着空间物理学的开启。北京大学空间物理专业也成立于同一年,与国际同步,因为在这年美国的宇航局(NASA)也成立了。


目前我们主要研究从太阳到日球层这个范围。这个动画显示了,太阳会持续地向外吹出太阳风,太阳风和星际介质的相互作用会在整个宇宙空间中吹出一个巨大的空腔结构,这就是日球层。


随着人类太空探索能力的进步,空间物理学能够研究的范围在不断扩大。



2012年8月,旅行者一号卫星已经穿过日球层边界,进入了星际介质中,这表明人类正式开启了星际时代。在我们的有生之年,很可能会见证人类实现星际航行和星际定居。


研究空间物理学有着非常重大的意义。学术上,它能帮助我们认知宇宙空间,引领人类对真理和本质的不懈追求。应用上,它可以帮助我们预报和预警灾害性空间天气,保障人类今后的太空探索的安全性。


什么是灾害性空间天气?因为太阳的一些爆发性活动可能会导致地球空间环境的剧烈扰动,从而对空间中的卫星、人类和仪器,或是地面的电力系统、管道系统等造成危害。研究空间物理学可以帮助我们避免和减少此类损失。


空间物理学史上有四个主要的里程碑。



第一个是Van Allen博士通过探险者一号卫星上的仪器数据,发现在距离地球很近的一个空间区域内聚集有大量高能带电粒子,这个区域也因此被命名为Van Allen辐射带。这一发现标志着空间物理学的开启。



第二个里程碑是对太阳风的首次实地观测。太阳提供了一个天然的巨大实验室,帮助我们了解宇宙中的其他恒星系统是如何运转的。研究表明,太阳会持续地向外吹出径向的带电粒子流,就如同成像照片中我们所看到的这些径向结构。这些径向粒子流被称为太阳风。


Neugebauer博士利用水手二号卫星上的仪器观测数据,首次在行星系中实地观测到太阳风,并确认太阳风是超音速的。这一发现对我们理解太阳风的起源和加速,以及恒星风的本质提供了突破性线索。



空间物理学还包括行星科学,Kivelson博士利用伽利略飞船的观测数据,发现了木星的一个名为欧罗巴的卫星冰壳底下存在有液态海洋。现在依据我们对生命的了解,认为生命和液态水是密切相关的。这一发现对我们认识生命的起源,或者地球之外是否还存在其他生命提供了重要线索。



第四个里程碑工作是对太阳微耀斑的发现。宇宙中高能粒子的起源和加速一直是人类追求的前沿课题之一,太阳为我们提供了一个很好的研究机会。Lin博士利用空间观测数据发现,在太阳大气中存在一种非常普遍的能量释放和粒子加速现象。



在这里我想问在座各位一个问题:完成这四项里程碑成就的开拓者,大家可以猜一下他们哪位是女性,哪位是男性?在揭晓答案之前,我先和大家分享一些我在科研上的经历和体会。


我的科研经历非常简单,首先是依照兴趣,我在中学选择了学习理科;其次还是依照兴趣,我在大学选择了空间物理这个专业;最后当然还是依照兴趣,我选择了自己的研究方向——太阳和日球层高能粒子。



太阳是一个天然的巨大粒子加速器。这个影像是利用三颗地球附近的卫星上的七个仪器,对同一次太阳爆发活动的观测来完成的。


我们把观测镜头从地球附近推近太阳,看到日面上、太阳大气中有各种活动出现。在这个区域中,能量被释放,粒子被加速。粒子和大气相互作用产生X射线,随后看到大量物质被抛到行星际空间。爆发性活动中被加速的粒子逃逸到行星际空间,到达卫星附近,在仪器中造成的效应就是画面最后出现的雪花状斑点


我研究工作的一个方面是利用卫星的观测数据,来研究高能粒子的起源、加速和传播过程中的物理本质,另一个方面则是研制高能粒子探测器。与其他很多物理学科不同,空间物理是靠空间探测来推定的一个学科。


也就是说,谁掌握了空间仪器探测器的研制能力,谁就决定了学科的发展方向。目前中国空间物理学发展的一个巨大瓶颈,就是空间探测器的研制能力。我希望自己的工作对突破这个瓶颈能有所帮助。



不同的职业对从业者都会有一些潜移默化的影响。据我观察,空间物理学家们也有一些由“职业病”带来的共性。第一,我们通常对生活和世界都充满着好奇。面对困难和挑战,我们更加积极、乐观、进取。


这里我想和大家分享一个我的导师和之前同事的故事,这个图画中显示的是一个高能太阳分光镜成像仪卫星,这个卫星属于美国宇航局对太阳进行成像的科学计划,由加州大学伯克利分校的空间科学实验室负责研制,汇集了几代人的努力和期望。



卫星研制成功后,按照惯例,它会送到美国的喷气推进实验室进行发射前的振动试验。但是由于振动平台的故障,这颗卫星在振动试验中被意外地破坏了。当时它的造价是4000万美元,美国宇航局并没有预算来重新做一个卫星。


所以当时很多人(包括美国宇航局)都认为这个卫星探测计划已经失败了。但是伯克利的团队没有放弃,在卫星的首席科学家,也就是我之后的博导的领导下,科学家和工程师们对损坏的卫星提出了很多大胆的维修方案,最后挑出了一个最佳方案,并且成功说服美国宇航局出资100万美元修复了这颗卫星。


大家觉得这可能是故事的终点,其实并不是。当卫星被修复后,却由于运载火箭的一系列问题,导致它的发射窗口一再被推迟,很多科学家都非常郁闷。大家想知道空间物理学家是如何应对这种郁闷的情绪吗?


伯克利分校有一位科学家撰写了一封非常长的Email,有时间、有地点、有情节,包括在这一天的什么时刻,这颗卫星在美国的哪个发射中心,装在哪类型号的火箭发射升空,火箭在什么时候分级脱离,卫星什么时候展开,什么时候成功入轨。发射后记者采访了这些其他科学家,大家热泪盈眶,表达了非常激动的情绪……这是一封非常长的email,在它的结尾,大家可以想是哪一句。


“愚人节快乐。”


最后就在4月1号这一天,科学家把Email群发给空间物理学界,收到来自全世界的祝贺邮件。这就说明很多人对卫星很期待,同时也说明很多人在回复Email之前从来不读完。


最后卫星确实在2002年被成功发射,这个故事正好发生在我进入到伯克利读书之前。听到故事的时候,我当时的感触有两点:第一是我要是早出生两年就好了,就可以亲自经历这个事件;第二个是我也想成为这样的科学家,面对困难和挑战,他们互相扶持、不轻言放弃,积极、乐观、进取。


第二个共性是更喜欢采用逻辑性思维来对待很多事情,独立作出判断,不盲从权威和舆论。



我想再跟大家讲两个最近发生在我身边发生的故事。


第一个是半个月前在网络上广泛流传的一则消息,说漠河6月15号出现了北极光。这个消息发布在类似于官网的公众号上,它引用了大段百度百科的话,说观测北极光的最好地点包括阿拉斯加、加拿大北部,也包括中国的漠河。随后它放了大量照片,这里我截取了最关键的一张。


我相信在座很多人如果看到这个信息,可能会选择转发一下。但是我们空间物理学家会怎么应对这种情况呢?首先我们非常好奇,对它进行了一系列讨论。我截取了北大空间群的一段讨论记录,一位老师首先说这幅照片是PS的,其他图是气辉。一群校友表示同意,另外一名校友随后指出,最大的问题在于百度百科上的那句话,说中国的漠河是观测北极光的最佳地点之一。这句话是错的。



目前而言,漠河在大多数情况下无法看到北极光。随后校友们很快扒拉出这些素材的原图,认为原极光图可能拍自于冰岛区域,所以这条消息是假的。


我回国之后,从社会上的舆论,甚至从一些家长那儿听到了这样的说法,认为女性天生不适合学理科,不适合做科研。



同时在和大学生的接触中,有时我会看到有些女学生,她虽然已经成年,但是她依然不能按照或是不能坚持自己的意愿来选择专业。虽然这些女生已经非常表达出不情愿的情绪,但她依然服从了父母的意志或其他一些因素,最后选择了自己尤其不喜欢的专业方向。


在从事科研的女学生中,有的人在我看来,基础和思维都非常棒。但是由于可能受到这些言论潜移默化的影响,她对自己非常不自信,导致她在做科研结论的时候会非常迟疑。这都是一些令人感到可惜的情况。


那么女性到底天生适不适合学理科,适不适合做科研?让我们回到之前的问题。前面我所讲的这些里程碑式的研究成果,大家能否判断出这四位科学家是男性还是女性?


我来揭示一下答案。



可以看到,科学成就跟性别没有关系,是男是女都可以完成重大的科学成就。


那么是什么驱动这些科学家来做这些突破性成就的呢?从我和他们的亲身接触中,发现还有一个共性:他们对自己的研究方向都有着极大的兴趣,他们能投入极大的热情、极高的专注力。


另外,科研跟年龄也没有关系,任何时间都可以是科研的黄金时代。例如这位Kivelson院士,她今年已经91岁,依然活跃在科研的第一线上。


所以我们看到,科学无关乎性别和年龄,只关乎兴趣


我本人非常不赞成以性别来简单粗暴地限定一个人的能力和潜力。无论哪种性别,当你在选择专业和事业是,希望都能从兴趣爱好或自己的独立判断出发,不要盲从于家庭和社会的舆论。



最后我想所说的是,我们正处于一个非常幸运的时代,因为我们正在亲历中国空间科学黄金时代的开启。


我想以从高中时代就非常喜欢的一句话作为这次演讲的结束——我们的征途是星辰大海。


谢谢大家。

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

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