萬衛星1,2 魏 勇1,2 郭正堂1,2 徐義剛3,2 潘永信1,2
1 中國科學院地質與地球物理研究所
2 中國科學院大學3 中國科學院廣州地球化學研究所
探索浩瀚宇宙，是全人類的共同夢想。作為正在崛起的深空探測大國，我國應該怎樣立足國情，走出一條有中國特色的行星科學強國之路？
古往今來，人們世代思考 3 個最深邃的問題：我們從哪裡來？我們向何處去？我們在宇宙中是否孤獨？無論答案曾有過多少種，可以肯定的是，人們在地球上只能窮盡證據，卻無法找到判據，因為「不識廬山真面目，只緣身在此山中」。走出地球再回望，置身局外才能獲得更有意義的全新視角。因此，深空探測承載的不僅僅是人類對宇宙和自身的好奇，還有尋求判據的希望。
對行星的觀察與探索使哲學思考變成科學行動，深刻改變了人類追尋答案的路徑。
1610 年，伽利略發現木星的衛星在圍繞木星轉動，促成了從「地心說」到「日心說」的偉大轉折，並對人們的社會、文化、宗教和科學觀產生了深遠影響。
1947 年，美國人把照相機裝載在二戰中繳獲的德國 V2 火箭上，並發射到超過 100 公里高度，使得人類第一次俯瞰到藍色行星，建立了「行星地球」的觀念。
1958 年，美國「Explorer 1」衛星發現地球上空數萬公里處永久存在核爆一樣的輻射帶，讓人們意識到太空環境的險惡，更傾向於相信地球生命的孤獨。其後，隨著深空探測的大規模開展，探測器先後到達月球、金星、火星等，並傳回地表照片，人們初步確信太陽系內再無人類，也對生命的起源和演化更加迷惑。達爾文認為生物的演化是漸進式的，行星科學家和地質學家卻在墨西哥發現了導致恐龍瞬間滅絕的小行星撞擊的痕跡，並類比布滿月球的隕石坑證明了地球歷史上被撞擊的高發性。
1994 年，行星科學家直播了「蘇梅克-列維 9 號」彗星撞擊木星。那一刻，撞擊的巨大威力讓全人類目瞪口呆，而行星科學家又大受啟發，加速了「地球大撞擊」月球起源假說的發展，指明了探索月球形成與演化的新方向。
時至今日，即便是一直幻想找到地外智慧生命的人們，也已不再對煉獄般酷熱的金星和寒冷狂風肆虐的火星失望，因為我們知道，太陽系所有行星都是起源於同一團星雲的同胞兄弟，只是地球的演化路徑比較幸運罷了。
相輔相成：深空探測與行星科學
人們心系答案，開展深空探測，以精細尖端的技術構築龐大浩繁的工程，將人類的感知拓展延伸到太陽系的行星、衛星、矮行星、小行星、彗星等天體。那些極具熱情又富有想像力的科學家，研究這些感知結果，將其融入我們的知識體系，革新我們的觀念，升級我們的答案，再指明未來探測方向。從而形成了一個專門的學問，叫作「行星科學」。
行星科學何時誕生？
儘管伽利略有時被稱為「行星科學之父」，但是人們通常認為現代行星科學建立於 20 世紀 60 年代末—70 年代初。如果要精確到年，應當是 1969 年。這一年，雖然距離伽利略仰望星空已有 360 年之遙，距離蘇聯首次撞月也過去了 10 年，但是 3 個標誌性的事件真正為行星科學奠定了基礎。
- 地球板塊構造理論的建立。板塊構造是人類理解行星地球整體行為的一座思想高峰，它勾畫了一個多圈層時空耦合的行星，物質和能量在各圈層和圈層間不斷循環。我們生存的家園並非祥和寧靜，而是一直在進行滄海桑田的變遷。
- 美國天文學會宣布成立行星科學部。新的行星科學部秉持開放包容的理念，降低會員費和入會條件，號召天文學、地球科學等所有相關領域研究人員共同加入，也包括了一些後來在深空探測中數建奇功的業餘愛好者。
- 「阿波羅 11 號」成功實現首次載人登月。「阿波羅登月計劃」共分 6 次將 12 名太空人送上月球，採回 382 千克月壤，在月表進行了大量科學實驗，奠定了行星科學研究的基礎。並且載人登月還造成了極大的公眾影響力，對行星科學人才培養和經費保障都形成了極為有利的局面。
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行星科學因何誕生？
1958 年，美國宇航局決定對太陽系進行深空探測之後，第一項工作是尋找科學家，但是「looked around for … people to do the science and found nobody（到處找人卻發現無人可找）」；於是，美國宇航局不得不「cajole … and provide enormous incentives for people to… work on planetary science（引誘……和巨額激勵那些願意做行星科學研究的人）」。這項策略無疑取得了很好的效果，許多年輕的科學家和研究生都加入到這個隊伍中來，成長為美國第一批行星科學家。
1960 年，美國第一個行星科學研究機構——月球與行星科學實驗室在美國亞利桑那大學成立，該實驗室至今仍是世界行星科學研究機構中的佼佼者。1972 年，依託該實驗室又成立了第一個行星科學系，標誌著行星科學人才教育培養體系的開端。其辦學模式為：一線科學家上講台，研究生進入實驗室科研，教學和研究圍繞正在進行的探測任務展開。該係為數十個深空探測任務提供了科學支撐，也保證了高質量的科學成果產出，可以說是當代大學發展中「科教融合」的一個極為成功的案例。
行星科學與深空探測是什麼關係？
從美國相關科學發展的歷史角度看，二者關係雖然密不可分，但仍然可以從 3 個層面來觀察。
- 深空探測催生了行星科學。行星科學根植於天文學和地球科學兩大學科。天文學視角相對宏觀，通過研究行星來理解太陽系乃至宇宙的起源和整體演化，典型問題如太陽系內外行星宜居帶、行星軌道遷移等；而地球科學更注重行星本身細節，通過研究行星來理解地球與行星的起源和整體演化，典型問題如行星多圈層耦合、行星宜居環境起源與演化等。深空探測的科學目標並不局限於任何學科，所採用的技術手段也多種多樣，以天文學和地球科學為主的眾多學科交匯融通，催生了行星科學，即行星科學脫胎於傳統學科體系。
- 行星科學牽引了深空探測。行星科學的研究目標決定了探測方式，引領探測技術發展。我們熟知的例子正是「阿波羅登月計劃」。參與該計劃的約有 2 000 多家企業、200 多所大學和 80 多個科研機構，總人數超過 30 萬。該計劃促進了許多領域的技術進步，催生了液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、計算機、無線通信等一大批高科技工業群體。後來通過該計劃取得的技術進步成果轉向民用（4 000 餘項高科技專利、技術被轉為民用），帶動了美國整個科技的發展與工業繁榮。
- 行星科學與深空探測相輔相成。沒有深空探測，行星研究就只能停留在望遠鏡觀測，即使歷經 360 年也無法形成獨立學科。沒有行星科學，深空探測就只能停留在美蘇爭霸階段，美蘇兩個深空探測大國興衰的分水嶺正是在於行星科學的建立與發展。行星科學在深空探測任務的目標規劃、實施保障、成果產出 3 個方面都起到關鍵作用，而深空探測又是行星科學信息來源的基礎，決定了行星科學的發展速度和水平。
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興衰互鑒：蘇聯深空探測的衰落
與美國行星科學的繁榮
本文第一部分主要談論美國的情況，美國不僅是經歷了兩次深空探測熱潮的深空探測大國，更是當仁不讓的深空探測強國和行星科學強國。深空探測的第一次熱潮在 20 世紀 60—70 代，即通常所稱的美蘇爭霸時期。第一次深空探測熱潮退去時，美國取得全面勝利，而先期領先的蘇聯則從此一蹶不振。第二次熱潮從 20 世紀 90 年代中期至今，美國全面引領，歐盟與日本穩步發展，中國正在崛起，印度、以色列等新興國家陸續加入，而蘇聯的主要繼承者俄羅斯至今仍未復興。兩個深空探測大國，一興一衰，能夠給其他志在發展深空探測的國家帶來什麼啟示？
第一次熱潮前期，蘇聯在行星探測上取得了輝煌成就。俄羅斯民族最早把對太空的痴迷從神話轉向科學，擁有悠長的民眾基礎。1883 年，齊奧爾科夫斯基就提出了火箭發動機推力公式，點燃了民眾對於星際旅行的科幻熱情。
20 世紀 20—30 年代，在飛機技術的帶動下，蘇聯興起了一次航空航天熱潮，相關的技術實驗室、研究所、學院、學會建立起來，各種行星研究俱樂部也紛紛出現。科羅廖夫領導的噴氣裝置研究業餘愛好者小組（GRID）研製的首枚 2.4 米小型火箭 1933 年發射成功，但這次熱潮最終因被史達林鎮壓而結束。
20 世紀 40 年代中期，隨著納粹德國的崩潰，蘇聯和美國均得到了德國的 V2 火箭技術，幾乎站在了同一起跑線上。然而美國更重視人才，美國把著名科學家馮 · 布勞恩等 100 多位關鍵的 V2 火箭相關科技人員招募到美國工作。蘇聯則把 V2 火箭製造硬體設施全部移到了蘇聯，重新建立了 V2 生產線。硬體設備的引入使得蘇聯在美蘇太空競爭短期內處於明顯優勢，而人才的引入使得美國後勁十足。
20 世紀 50 年代末，科羅廖夫團隊提出人造地球衛星計劃，並於 1957 年 10 月發射成功，人類從此進入太空時代。幾個月後，著名空間物理學家范艾倫領導研製的美國「Explore 1」衛星發現了空間中的輻射帶。該輻射帶以范艾倫的名字命名，也讓他成為歷史上唯一獲得克拉福德獎（四年頒發一次，有人稱其為「地球科學諾貝爾獎」）的空間物理學家。
謝爾蓋·帕夫洛維奇·科羅廖夫
事實上，蘇聯衛星率先記錄到了輻射帶存在的證據，但被認為是儀器問題而錯失了這一偉大發現。這一著名事件成為美蘇深空探測思路分歧的象徵。今天看來，美蘇爭霸分出勝負的最關鍵因素正是在於美國從一開始就確立了「科學引領」的思路。
進入到 20 世紀 60 年代，科羅廖夫領銜的探測工程團隊大放異彩，而他本人也成為歷史上最偉大的火箭工程師。除了月球探測，蘇聯還在金星、火星、彗星探測上取得了壓倒性的優勢，實現了 10 多項「首次」。比如：1961 年探測器到達金星，1962 年探測器到達火星，1966 年探測器著陸金星，1971 年實現火星表面成像，1975 年實現金星表面成像等。尤其是在金星探測方面，面對 90 倍於地球的大氣壓，400 多攝氏度的高溫，人類迄今僅有的 8 次金星表面成功著陸全部由蘇聯完成。
但是，取得這麼多「首次」的深空探測大國何以走向衰落？深空探測歷史專家、愛爾蘭學者哈維對比蘇聯和美國，歸納了 4 點原因：
- 工業整體水平與太空競賽的要求不匹配，過多的探測任務導致了高失敗率；
- 政治環境不穩定，組織架構混亂，過度內部鬥爭等導致稀缺資源被濫用，國家經濟不堪重負；
- 管理體制封閉，缺乏有影響力的學術和非學術宣傳平台，科學成果未能在國際學界和公眾渠道宣傳，導致深空探測成果被大大低估；
- 國家經濟持續下滑，不能給探測和研究提供經費保障，人才外流到其他國家。
除此之外，我們還思考了另外一個更重要的原因：蘇聯的舉國體制確實是計劃性強，效率很高，這是能夠前期領先的重要原因；但是，到了後期，如果沒有科學引領，就削弱了深空探測的必要性、能動性和先進性，最終導致蘇聯落後於美國。
隨著蘇聯的衰落，美蘇爭霸時期走向尾聲。20世紀 80 年代，美國里根政府考慮中止或取消所有的行星研究與深空探測計劃，「挑戰者號」太空梭的爆炸也給公眾心理蒙上長久的陰影。與蘇聯境遇不同的是，美國的行星科學教育體系已經相當完備，在美國亞利桑那大學之後，哈佛大學、耶魯大學、麻省理工學院等幾十所頂尖大學都已建立「行星科學系」或者在地球科學系的基礎上建立「地球與行星科學系」。
在充足的教育經費支持下，藉助積累下的行星科學數據和月壤樣品，美國培養出了大批行星科學人才。儘管沒有新的探測計劃，行星科學研究卻依然蓬勃發展起來。有標誌性的是月球與行星科學會議（The Lunar and Planetary Science Conference），該會議自 1970 年創辦，參會人數逐年增多，至今從未間斷，2019 年已達到約 3 000 人的規模。
到 20 世紀 90 年代中期，美國國家航空航天局（NASA）改變了國家頂層設計的思路，提出「更快、更好、更經濟」的標準，向科學家開放申請探測研究計劃，從而掀起了第二次深空探測熱潮。前期培養出的行星科學家在這一次熱潮中扮演了主角，他們聯合工程師共同提出科學目標和探測方案，到美國國家航空航天局參加競爭和遴選。事實上，鮮有項目能同時滿足三「更」，由前沿科學家組成的專家組評審時往往是科學目標的創新性優先，兼顧三「更」。
美國的行星科學家也有煩惱：學科發展過於迅猛，子學科和研究領域劃分趨向精細化；主流學術期刊種類繁多，每期動輒上千頁的規模；主流學術會議規模龐大，相關主題在各分會場平行進行；絕大部分人只能做個專家，成為通才已經不太可能。這門新興的學科未來如何發展，青年人才如何培養，在美國也是一直被熱議的話題。
如果說第一次熱潮的主題是探測競賽，比的是誰先跑得最快，那麼第二次熱潮的主題應是科學競賽，比的是誰先看得最深。人們已經不滿足於到行星表面看一看，而是看向時間的深處——研究行星的演化歷史，看向空間的深處——研究行星的內部結構，看向人類的深處——研究生命起源和尋找地外生命。而流失了行星科學人才的俄羅斯很難再加入競賽，其低迷的經濟形勢也很難從全世界吸引人才。
強國之路：加快建設行星科學一級學科
毫無疑問，中國是第二次深空探測熱潮中最受世界矚目的。「嫦娥工程」4 次衛星發射均圓滿成功，最新的「嫦娥四號」首次登陸月球背面，展現出強大的綜合國力。中國還規劃了後續包括月球、火星、木星、小行星等在內的更為引人注目的探測計劃。中國，一個新的深空探測大國正逐漸崛起。
對照歷史，中國深空探測當前正處在一個岔路口，至少有一條「美國之路」和一條「蘇聯之路」擺在面前。當然，我們要走一條有中國特色的深空探測之路。但迄今為止，中國雖有世界矚目的深空探測工程，卻鮮見有國際影響力的重大科學發現；中國有國際化的高水平行星科學家隊伍，卻沒有提升本國深空探測的科學產出；中國有世界一流的研究型大學，卻尚未建立行星科學一級學科；中國從來不乏對太空痴迷的青年人，卻一直沒有行星科學教育體系。對比深空探測大國蘇聯，中國還比較缺乏行星科學的民眾基礎和技術積累；對比行星科學強國美國，中國缺乏的是一整套的行星科學研究平台和人才培養體系。
我們意識到，當前是以科學競賽為主題的第二次深空探測熱潮。儘管中國仍未超過美蘇在第一次探測熱潮時的技術成就，但世界行星科學水平已經遠超當年。這決定了中國無法直接照搬任何國家的經驗，而是需要去探索一條全新的道路。
我們注意到，中國行星科學研究已經初具規模。中國科學院下屬的地質與地球物理研究所、地球化學研究所、國家天文台、國家空間科學中心、紫金山天文台、上海天文台、新疆天文台、廣州地球化學研究所、空天信息研究院等 10 多家研究所多年來已經開展行星科學研究。中國科學院大學、中國科學技術大學、北京大學、中山大學、中國地質大學、南方科技大學、山東大學（威海）、桂林理工大學等 20 多所高校已經成立了行星科學相關的學院或研究機構，澳門科技大學還成立了相關的國家重點實驗室。中國地球物理學會、中國天文學會等學術團體已經成立了行星科學相關分支機構。中國第一份國際化的行星科學期刊 Earth and Planetary Physics 已經出版了 2 年。
我們觀察到，中國行星科學教育已經開始萌芽。儘管國務院學位委員會和教育部發布的國家學科設置中尚無行星科學學科，行星科學的研究生還是以交叉學科的方式，在地球物理學、地質學、地球化學等學科下培養。但這個情況，已經比美國國家航空航天局在 1958 年面臨的情況好了非常多。
我們認識到，中國行星科學將率先脫胎於地球科學。中國當前的相關情況與 1969 年美國的情況截然不同。在上一部分末尾曾提到，當前科學競賽比的是誰看得深，行星的內部結構、地質演化歷史、生命起源環境等前沿問題是以地球科學研究方法為主的綜合交叉研究。學界公認，以地球與行星對比研究為主的比較行星學，必將對地球科學另一前沿——地球系統科學——起到極大推進作用。
我們發現，開放的和國際化的行星科學學科建設道路是唯一的選擇。科學沒有國界，深空探測承載的是全人類的共同夢想和對最深邃問題答案的孜孜追尋。蘇聯沒有走國際化的道路，其探測成果未能及時融入人類現代知識體系，不僅科學價值被大大低估，最終也失去了民眾的支持。科學發現只認第一，沒有第二。對接國際，才能避免對人類知識體系並無貢獻的重複「發現」。
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我們堅信，人才培養永遠是第一位的。蘇聯如果沒有 20 世紀 20—30 年代培養的科羅廖夫等一大批工程技術人才，就沒有其在第一次熱潮中的領先。美國如果沒有在第一次熱潮中和 20 世紀 80 年代探測低潮期培養的行星科學人才，就沒有其在第二次熱潮中的領航。而流失了人才的俄羅斯也許需要比中國更長的時間才能成長為行星科學強國。
我們憧憬，中國的深空探測必將實現科學引領。蘇聯的深空探測大國之路始於技術先行，止於技術與科學並行；美國的行星科學強國之路始於技術科學並行，轉型為科學引領和科學與技術並行。中國當前是技術先行，下一階段應轉型為技術與科學並行，同時加強行星科學的學科建設和人才隊伍建設，最終實現科學引領和科學與技術並行。中國未來的深空探測，將由科學家主導，科學家與工程師共同合作，形成分工明確、高效率和有強大凝聚力的團隊。中國首次火星探測計劃正在這樣的道路上努力探索，科學家和工程師一起，共同致力於提升中國深空探測的成果產出和國際影響力，為中華民族的偉大復興做先鋒。
開弓沒有回頭箭。深空探測大國中國正在崛起，必將邁向行星科學強國。我國深空探測起步晚，行星科學起點高，留給我們的時間很短，然而要走的路又很遠，這是中國面臨的新形勢和新情況。但我們有信心，充分利用後發優勢，加快建設行星科學一級學科，共建創新人才培養體系，補齊科學短板，走出一條有中國特色的行星科學強國之路。
大國一諾：全面提升我國
深空探測能力和行星科學國際影響力
最近兩年，這次以科學競賽為主題的探測熱潮正在出現異化。2017 年，美國總統川普宣布，美國航天發展目標是「要把人類觸角拓展至深空，包括月地空間、月球、火星表面與其衛星以及更遠的地方」，長期目標是「拓展人類在近地軌道之外的永久存在」，包括「在另一個天體上建立潛在的人類棲息地」，及發展「繁榮的 21 世紀太空經濟」。然而，2018 年，美國副總統彭斯就聲稱將在 2020 年建立美國第六大軍種——太空軍，並且進一步稱，「美軍不僅應存在於太空，更應控制太空」。這一言論展示了美國的太空軍事化傾向。
人類深空探測的目的應該是什麼？2018 年 11月14日，習近平主席在致信祝賀亞太空間合作組織成立 10周年時指出，外層空間是人類共同的財富，探索、開發、和平利用外層空間是人類共同的追求。中國倡導世界各國一起推動構建人類命運共同體，堅持在平等互利、和平利用、包容發展的基礎上，深入開展外空領域國際交流合作。中國一貫主張合理開發、利用空間資源，保護空間環境，推動航天事業造福全人類。
中國深空探測計劃的目的又是什麼？「嫦娥四號」首次到達月球背面後，中國的回答擲地有聲：「探索浩瀚宇宙、和平利用太空，是全人類的共同夢想。以「嫦娥四號」任務圓滿成功為標誌，我國探月工程四期和深空探測工程將全面拉開序幕，今後的任務更加艱巨，面臨的挑戰前所未有。」和平利用太空主要靠什麼？當然是科學。沒有行星科學的深空探測將無法超越第一次熱潮中的蘇聯，也必然導致各種異化的「威脅論」或是「唱衰」。沒有以行星科學一級學科為框架的人才培養體系，就無法走上行星科學強國之路，也難以踐行中國探索浩瀚宇宙、和平利用太空的承諾。
因此，加快建設行星科學一級學科，全面提升我國深空探測能力和行星科學國際影響力，必將加速我國從深空探測大國邁向行星科學強國。
萬衛星 中國科學院院士，中國科學院地質與地球物理研究所研究員。中國首次火星探測計劃首席科學家，中國地球物理學會行星物理專業委員會主任，中國科學院地球與行星物理重點實驗室主任，中國科學院大學行星物理學學科帶頭人。
文章源自：
萬衛星, 魏勇, 郭正堂, 等. 從深空探測大國邁向行星科學強國. 中國科學院院刊, 2019,34(7): 748-755.
總監製：楊柳春
責任編輯：文彥傑
助理編輯、校對：PAN
排版：江淼
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