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这张我们无比熟悉的图片，竟泉源于环地球轨道上的一次地球“自拍” ｜陈征

当我们回首故里，发现它竟云云之渺小的时间，我想每个人都会受到巨大的心灵打击，你自己也会有显着的感受。陈征·北京交通大学副传授科创大讲堂 |2021年9月28日各人好，我是陈征，来自北京交通大学。实在这不是我第

当我们回首故里，

发现它竟云云之渺小的时间，

我想每个人都会受到巨大的心灵打击，

你自己也会有显着的感受。

陈征·北京交通大学副传授

科创大讲堂 |2021年9月28日

各人好，我是陈征，来自北京交通大学。实在这不是我第一次来到格致论道讲坛，只不外之前每一次都是扮演主持人的脚色。本日我这个非闻名、非专业主持人的身份稍有厘革——固然仍然好坏闻名，但将作为一名专业的物理老师，跟各人分享一下《探索星辰大海》的故事。

本日，我们的太空站已经实现了绕地飞行，“天问一号”已经抵达火星而且工作，我们不但登上了月球，还来到了玉轮的反面。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？固然，全部的这统统，其背后遵照的根本规律都是物理。本日，我想从一个物理老师的视角出发，和各人一起回首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”提及

故事先从如许一个画面提及。

左边这张是微信的启动画面，各人险些每天都会看到它。这张画面实际上有一个真实的照片配景，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”。

▲地出

如果我们把“自拍杆”伸得轻微长一点，伸到月球，这个时间回望地球会看到什么样的环境呢？这幅图叫做“地出”，是在月球轨道上拍到的地球从月平线上徐徐升起的环境。

上世纪90年代，当观光者号探测器即将飞出太阳系——固然我说的太阳系比力狭义，就是要跑到冥王星以外地方的时间，当时美国科学家卡尔·萨根就倡议了这么一个运动：让探测器转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。

▲暗淡蓝点

这就是“暗淡蓝点”。在这张图上，我们以致很难找到地球在那边，以是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，谁人就是我们的地球。在画面上你能看到几道比力显着的光，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，我们的视角就渐渐从地面上来到太空中。回望一下自己，你就会发现天下好像变得大有差别。在这个过程里，很多人都会产生很多很深刻的相识，卡尔·萨根曾经写过一本书，名字就叫做《暗淡蓝点》。

当他看着漂泊在宇宙当中的、仿佛尘土一样的、那一个小小的亮点，他产生了如许的感受：我们的统统都在上面。你知道的、你听说过的、你熟悉的、你爱的、你恨的，汗青上的王侯将相、贩夫走卒，全部有关我们人类的统统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。从如许一种环境，到那样的茫茫宇宙当中，当我们回首故里，发现它竟云云之渺小的时间，我想每个人都会受到巨大的心灵打击，你自己也会有显着的感受。好比对我而言，当看到这张照片，就会想到“滚滚长江东逝水，浪花淘尽好汉。”不知道各人对此有着什么样的感受呢？

从这个故事开头，是盼望各人起首把我们对身边的这些一样寻常放下，回到人类文明刚刚萌生的时间，回到最淳厚的心态下，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变，而对星空的无穷想象，是驱动人类文明向前发展的一个非常紧张的驱动力，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：由于我们就在宇宙当中，宇宙就是我们；我们是由构成星星的那些质料构成的，以是相识宇宙自己就是相识我们自己。

实在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。以是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，找到新的故里，如许的故事非常非常多。

我也非常喜欢如许的想象，但作为一名物理老师，我们还必须多思量一件事：除了盼望得到那样的履历，我们还要想：应该怎么办？我们怎样才华真正去往茫茫宇宙？怎样真正到达迢遥的地方，找到谁人和我们如今的故里靠近、我们可以大概生存但又别有一番洞天的天下呢？这就是我们本日要关注的话题。

探索宇宙“三步走”

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我们到底要怎样探索宇宙？我们怎样迈向星辰大海？我把这件事简朴地分成了看到、知道、到达三个阶段。

“看到”这件事非常简朴，只要天气清朗，各人晚上仰望星空时，就会看到漫天的星斗。星辰大海，它不但是一幅壮丽的画卷，还是一幅波涛壮阔的史诗，由于那些星星离我们非常迢遥，我们同时看到的这些星光实在是它们在差别时候发出的。

像月光只间隔我们30万公里，它在几秒钟之内就能到达地球；我们看到的阳光是太阳8分钟之前发出的；而离我们近来的那颗恒星——比邻星，它大概与我们相隔4.2光年，各人看到的实在是4年多前的事变。

如果再迢遥一些，对于那些间隔我们成千上万光年的星系来说，我们看到的光已经履历了漫长的跋涉。在这些星系发出光的时间，大概地球上还没有人类，以致没有人类的先人，说不定地球在那一刻还没有形成呢！这实际上是一副波涛壮阔的史诗，然后我们对它产生了爱好，开始去探究、琢磨，这些东西构成了我们本日所说的天文学。

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尺度，特别故意思、也特别简朴：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。好比满天的星星、我们只能观察的这些归天文学管；一旦探测器能上去，可以大概够着的时间，它就变成了一个须要具体实行的使命，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大概叫行星科学管了，不再属于天文学。正由于天文学有如许“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产。

我们要怎样探索宇宙？

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古往今来，人类对天的探索从来没有止步，我们的工具也在不停地演进。在很早的时间，人类就是用肉眼看天，厥后不管在东方还是西方，我们都有了专门的天文仪器。中国古代很早就把握了一项叫做“牵星过洋”的帆海技能，就是用一个牵星板，通过在晚间对着天空中的星星来资助自己导航。

固然，人类的各个文明都对星星产生了浩繁的想象，这些想象又带给我们很多的神话故事。这些故事以致催生了好比中国传统文化里的“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，观天以致变得非常神圣，变成了一个国家非常紧张的工程。

▲肉眼观测工具

好比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，固然直接观测星星的工具依然是我们的肉眼，但这个时间已经有了很多辅助工具，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。各人相识比力多的大概像郭守敬、一行的观测。尚有苏颂的水运仪象台，通过水力呆板，已经可以大概动员仪器自动化地运转了，固然还须要你用肉眼看一看。

▲ 左：折射式

中：反射式

右：折反式

接着便是望远镜的出现。实在望远镜自己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盛的观星武器。望远镜也履历了几个阶段的发展，从伽利略那种简朴的折射式到牛顿的反射式光学望远镜，本日尚有更先辈的折反式的光学环境。

各人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。随着科学技能的希望，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，渐渐扩大到可以收整个电磁波。

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。

由于有了大量的望远镜，我们本日也有了一些非常故意思的观测。好比我们通过8个差别的位于举世各处的射电望远镜，利用干涉丈量的技能，形成了一个口径与地球截面相称的望远镜，拍摄到了一个黑洞。

各人看到这张黑洞图片的时间，常常讥讽它很像蜂窝煤里的一个眼。它是人类初次拍到的黑洞照片。

但是，即便是富足迢遥的星星，它发出的光也不大概让我们看到宇宙大爆炸开始的那一刻发生了什么。由于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，某一个量子体系发出的光会灵敏地被四周的其他物质吸取掉，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肯定水平之后，这些物质发出的光才可以大概一连地飞行下去。在天文学家口中，这段时间叫做末了散射面，就好像我们和宇宙大爆炸之初中隔断着一块毛玻璃，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。

▲引力波探测器

而引力波是一种全新的看天的本领，我们有大概去相识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积极。

但是不管怎么说，在这个过程中，我们都还只是“看到”。固然我们看得越来越清楚，但是看得见摸不着是一件很痛楚的事变。我们固然不会只满意于“看到”，是不是？以是我们还要相识背后的缘故起因，末了我们还盼望到那边去。

人类对宇宙熟悉的演进

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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？

▲天圆地方

中国古代以为天圆地方。在《三国演义》里，刘备初次拜望茅庐拜访诸葛亮的时间，就有农夫唱了一首歌，让刘备以为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：“彼苍如圆盖，陆地似棋盘，众人好坏分。”这就是我们从前对天地的熟悉：即大地是平的，然后天像圆锅盖一样扣在地面之上。

厥后通过对天象的不停观察，我们发现这个事变不那么简朴。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。各人以为反正行星在一个天球上，会跟着天球一块动，这件事看起来很公道。但是这颗行星走着走着，有的时间会倒退，有的时间还会停在那儿。

▲托勒密宇宙

出于对这些征象的思考，人们渐渐创建了一些新的学说，这里比力有代表性的是托勒密构建的宇宙。他以为大地是个球，而且位于宇宙的中心，外边的太阳、玉轮、行星、恒星是很多个套在一起的球壳，它们都围着地球转。厥后由于逆行的征象，人们又在这个球壳上面的本轮上添加了一个大概多个均轮，总之这些星星都是这么绕着地球转的。

▲哥白尼宇宙

到了哥白尼的期间，人们开始意识到，原来地球并不是宇宙特别的中心，它和那些行星的职位差不多。我们各人都是绕着太阳转。

▲当代宇宙模子

本日，我们对宇宙已经有了一个更加深入的熟悉：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，我们的太阳系掖掖仪猎户座悬臂上面的一个很郊区的地方。太阳系也不是特别的，实际上宇宙中和它雷同的星系非常多。那到底什么地方是宇宙的中心呢？我们以致可以说宇宙到处是中心，大概宇宙没有中心，这是我们本日对宇宙的新的熟悉。

离开地面，走向太空

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当有了如许的熟悉，对整个宇宙有了更深刻的相识之后，我们就开始构造这条走向太空的路。我们要想到达星辰大海，大抵也得分这么几个阶段：我们得先离开地面，然后飞出大气层，接着我们得可以大概离开太阳系，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，本日连我们走出太阳系都是一件非常困难的事变。在离开地面走向太空的这条路上，人类走得非常曲折。

这里不得不提的是，我们中国古代实在就已经有这种离开地面的想象了。各人都很熟悉高鼎的《村居》，以致很小就会背：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本领就是放风筝。

▲载人的风筝

听说春秋时期的鲁班就做过木鸢,实在就是一种载人的风筝。风筝古往今来不绝一连下来，我们如今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

好比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，这些都可以资助我们离开地面。但是它都是滑翔，对吧？

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

我们制造了各种各样特别古怪的飞机，在这儿我要跟各人分享人类制造飞机的初期。你看看，我们有多么大的脑洞，多么希奇的飞机！有这种圆筒的、多层的；有骑自行车的、很多多少很多多少层翅膀的；尚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。

1910年洛杉矶国际航空展的时间，各人看到的飞机可以称得上特别古怪、千奇百态。但是到了本日，基于我们对氛围动力学的相识，飞机渐渐趋向于同一个形状，由于它是一个最优解。

固然也有特别的，好比直升机、四轴飞行器等等，但它们都利用了氛围动力学的根本原理，也就是流体力学。

很多时间，我们粗糙地把它称作伯努利原理，不外实际环境要比这个复杂一些。但不管怎么说，它是借助氛围飞起来的一种本领。只有一种借助氛围的本领吗？实在不是。

我们古人还想到了另一个本领，就是孔明灯。利用热氛围和氢气比四周氛围密度小的原理，就能得到浮力，把人带上天空。这个方案实在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。

各人看到左侧这个人叫皮卡德，右侧是动画片《丁丁历险记》里的向日葵传授。实际上，向日葵传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，和我是偕行。但这个人比我锋利多了，他锋利在哪呢？他是第一个乘坐氢气球到达平流层的人类。厥后，他的儿子到场制作了天下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”举世太阳能飞机飞行的驾驶员，也叫皮卡德，也是他们眷属的人。