導言：
我們的征途是星辰大海。
當我們回顧家園，
發現它竟如此之渺小的時候，
我想每個人都會受到巨大的心靈衝擊，
你自己也會有明顯的感受。
大家好，我是陳征，來自北京交通大學。其實這不是我第一次來到格致論道講壇，只不過之前每一次都是扮演主持人的角色。今天我這個非著名、非專業主持人的身份稍有變化——雖然仍然是非著名，但將作為一名專業的物理老師，跟大家分享一下《探索星辰大海》的故事。
今天，我們的太空站已經實現了繞地飛行，「天問一號」已經抵達火星並且工作，我們不僅登上了月球，還來到了月亮的背面。我們對星辰大海的探索正在一步一步地拓展。
這些跟物理老師有什麼關係呢？當然，所有的這一切，其背後遵循的基本規律都是物理。今天，我想從一個物理老師的視角出發，和大家一起回顧我們探索星辰大海的歷程，感受一下人類是怎樣從遙望太空到走向太空的。
從「藍色彈珠」說起
故事先從這樣一個畫面說起。
左邊這張是微信的啟動畫面，大家幾乎每天都會看到它。這張畫面實際上有一個真實的照片背景，就是右邊這張，它叫做「藍色彈珠」，是在環地球軌道上為我們地球拍攝的一張「自拍」。
▲ 地出
如果我們把「自拍杆」伸得稍微長一點，伸到月球，這個時候回望地球會看到什麼樣的景象呢？這幅圖叫做「地出」，是在月球軌道上拍到的地球從月平線上緩緩升起的景象。
上世紀90年代，當旅行者號探測器即將飛出太陽系——當然我說的太陽系比較狹義，就是要跑到冥王星以外地方的時候，當時美國科學家卡爾·薩根就倡議了這麼一個活動：讓探測器回頭給太陽系的幾大行星拍了一組「自拍」，這裡邊就有一張地球的照片。
▲ 暗淡藍點
這就是「暗淡藍點」。在這張圖上，我們甚至很難找到地球在哪裡，所以我在上面畫了一個小小的藍色的圈。藍色圈裡有一個特別暗的小亮點，那個就是我們的地球。在畫面上你能看到幾道比較明顯的光，實際上它們只是鏡頭的炫光，並不是太空中的什麼東西。
在這個過程中，我們的視角就逐漸從地面上來到太空中。回望一下自己，你就會發現世界好像變得大有不同。在這個過程里，很多人都會產生很多很深刻的體會，卡爾·薩根曾經寫過一本書，名字就叫做《暗淡藍點》。
當他看著漂浮在宇宙當中的、仿佛灰塵一樣的、那一個小小的亮點，他產生了這樣的感受：我們的一切都在上面。你知道的、你聽說過的、你認識的、你愛的、你恨的，歷史上的王侯將相、販夫走卒，所有有關我們人類的一切都在那一個暗淡的小亮點上。
我們的身邊充斥著物質，充斥著高樓大廈。從這樣一種環境，到那樣的茫茫宇宙當中，當我們回顧家園，發現它竟如此之渺小的時候，我想每個人都會受到巨大的心靈衝擊，你自己也會有明顯的感受。比如對我而言，當看到這張照片，就會想到「滾滾長江東逝水，浪花淘盡英雄。」不知道大家對此有著什麼樣的感受呢？
從這個故事開頭，是希望大家首先把我們對身邊的這些日常放下，回到人類文明剛剛萌生的時候，回到最質樸的心態下，去看一看我們最嚮往什麼，我們最關注什麼。我想對於大多數人來講，仰望星空是每個人都會做的事情，而對星空的無限想像，是驅動人類文明向前發展的一個非常重要的驅動力，這就是我們為什麼要探索宇宙。
▲ 卡爾·薩根 Carl Edward Sagan
對於我們為什麼要探索宇宙，卡爾·薩根講過一句非常有詩意的話：因為我們就在宇宙當中，宇宙就是我們；我們是由組成星星的那些材料組成的，所以了解宇宙本身就是了解我們自己。
其實每個人都對星辰大海有著自己的一番想像，每個人也都或多或少的萌生過探索宇宙的想法。所以科幻小說里總有一個很大的主題，就是我們要到宇宙中去，我們要找到新的星球，找到新的家園，這樣的故事非常非常多。
我也非常喜歡這樣的想像，但作為一名物理老師，我們還必須多考慮一件事：除了希望獲得那樣的經歷，我們還要想：應該怎麼辦？我們怎樣才能真正去往茫茫宇宙？怎樣真正到達遙遠的地方，找到那個和我們現在的家園接近、我們能夠生存但又別有一番洞天的世界呢？這就是我們今天要關注的話題。
探索宇宙「三步走」
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我們到底要怎樣探索宇宙？我們如何邁向星辰大海？我把這件事簡單地分成了看到、知道、達到三個階段。
「看到」這件事非常簡單，只要天氣晴朗，大家晚上仰望星空時，就會看到漫天的星斗。星辰大海，它不但是一幅絢麗的畫卷，還是一幅波瀾壯闊的史詩，因為那些星星離我們非常遙遠，我們同時看到的這些星光其實是它們在不同時刻發出的。
像月光只距離我們30萬公里，它在幾秒鐘之內就能達到地球；我們看到的陽光是太陽8分鐘之前發出的；而離我們最近的那顆恆星——比鄰星，它大概與我們相隔4.2光年，大家看到的其實是4年多前的事情。
如果再遙遠一些，對於那些距離我們成千上萬光年的星系來說，我們看到的光已經經歷了漫長的跋涉。在這些星系發出光的時候，也許地球上還沒有人類，甚至沒有人類的祖先，說不定地球在那一刻還沒有形成呢！這實際上是一副波瀾壯闊的史詩，然後我們對它產生了興趣，開始去探究、琢磨，這些東西組成了我們今天所說的天文學。
北京天文館的前館長朱進老師曾經跟我講過一個區分天文學的標準，特別有意思、也特別簡單：天文學研究什麼呢？天文學研究那些看得見、但摸不著的東西。比如滿天的星星、我們只能觀察的這些歸天文學管；一旦探測器能上去，能夠夠著的時候，它就變成了一個需要具體實施的任務，變成了一項具體的工程，這就是所謂的航天工程；夠著的那一部分就歸地球科學或者叫行星科學管了，不再屬於天文學。正因為天文學有這樣「看得見、摸不著」，「誰也不能把它拿回家、揣兜里」的特性，它得以成為全人類共享的財富。
我們要怎樣探索宇宙？
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從古到今，人類對天的探索從來沒有止步，我們的工具也在不斷地演進。在很早的時候，人類就是用肉眼看天，後來不管在東方還是西方，我們都有了專門的天文儀器。中國古代很早就掌握了一項叫做「牽星過洋」的航海技術，就是用一個牽星板，通過在晚間對著天空中的星星來幫助自己導航。
當然，人類的各個文明都對星星產生了眾多的想像，這些想像又帶給我們很多的神話故事。這些故事甚至催生了比如中國傳統文化里的「天人感應」學說。中國古代與其他古文明都會有這種天賦論：我們人間的權利、人間的某些東西是上天賦予的。因此，觀天甚至變得非常神聖，變成了一個國家非常重要的工程。
▲ 肉眼觀測工具
比如北京就有一個古觀象台。這個古觀象台上有一些古代的天文儀器，雖然直接觀測星星的工具依然是我們的肉眼，但這個時候已經有了許多輔助工具，如渾儀、簡儀、地平經緯儀、黃道經緯儀等，這些裝置都凝結著大量古人的智慧。大家了解比較多的可能像郭守敬、一行的觀測。還有蘇頌的水運儀象台，通過水力機械，已經能夠帶動儀器自動化地運轉了，雖然還需要你用肉眼看一看。
▲ 左：折射式
中：反射式
右：折反式
接著便是望遠鏡的出現。其實望遠鏡本身並不是伽利略發明的，但是他把望遠鏡指向了星空，讓我們擁有了更加強大的觀星武器。望遠鏡也經歷了幾個階段的發展，從伽利略那種簡單的折射式到牛頓的反射式光學望遠鏡，今天還有更先進的折反式的光學環境。
大家看到的這張圖片就是我們的郭守敬望遠鏡——一個大口徑的光學望遠鏡。
但是光學望遠鏡它能看到的終究是有限的。隨著科學技術的進展，我們看天的範圍也變得越來越廣寬。我們有了射電望遠鏡，從肉眼可見的、電磁波譜裡邊很小的一個區段，逐漸擴大到可以收整個電磁波。
我們非常熟悉的位於貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），它就被用以觀察天文。
因為有了大量的望遠鏡，我們今天也有了一些非常有意思的觀測。比如我們通過8個不同的位於全球各處的射電望遠鏡，利用干涉測量的技術，形成了一個口徑與地球截面相當的望遠鏡，拍攝到了一個黑洞。
大家看到這張黑洞圖片的時候，經常調侃它很像蜂窩煤里的一個眼。它是人類首次拍到的黑洞照片。
但是，即便是足夠遙遠的星星，它發出的光也不可能讓我們看到宇宙大爆炸開始的那一刻發生了什麼。因為宇宙大爆炸開始的那一刻，整個宇宙都在一鍋沸騰的量子熱湯之中，某一個量子系統發出的光會迅速地被周圍的其他物質吸收掉，沒有辦法發射出來，沒有辦法把信息攜帶出去。
直到整個宇宙冷卻到一定程度之後，這些物質發出的光才能夠持續地飛行下去。在天文學家口中，這段時間叫做最後散射面，就好像我們和宇宙大爆炸之初中間隔著一塊毛玻璃，我們只能看到這塊毛玻璃出現之後宇宙給我們留下的信息。宇宙大爆炸的那一刻到底發生了什麼，我們不知道。
▲ 引力波探測器
而引力波是一種全新的看天的手段，我們有可能去了解宇宙大爆炸那一刻發生了什麼。這個是我們在「看到」這件事上所做出的最大的努力。
但是不管怎麼說，在這個過程中，我們都還只是「看到」。雖然我們看得越來越清楚，但是看得見摸不著是一件很痛苦的事情。我們當然不會只滿足於「看到」，是不是？所以我們還要了解背後的原因，最後我們還希望到那裡去。
人類對宇宙認識的演進
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在「看到」之後，我們就開始琢磨：這個天到底是怎麼回事？星辰大海到底是怎麼回事？
▲ 天圓地方
中國古代認為天圓地方。在《三國演義》裡，劉備初次探訪茅廬拜訪諸葛亮的時候，就有農夫唱了一首歌，讓劉備覺得它應該是位很有學問的人寫的。那首歌的前幾句是這麼唱的：「蒼天如圓蓋，陸地似棋盤，世人黑白分。」這就是我們以前對天地的認識：即大地是平的，然後天像圓鍋蓋一樣扣在地面之上。
後來通過對天象的不斷觀察，我們發現這個事情不那麼簡單。最直接的證據就是行星。相對於靜止的星星而言，天上有幾顆肉眼可見的、會發生運動的星星，它們就是我們所知道的行星。大家覺得反正行星在一個天球上，會跟著天球一塊動，這件事看起來很合理。可是這顆行星走著走著，有的時候會倒退，有的時候還會停在那兒。
▲ 托勒密宇宙
出於對這些現象的思考，人們逐漸建立了一些新的學說，這裡比較有代表性的是托勒密構建的宇宙。他認為大地是個球，而且位於宇宙的中心，外邊的太陽、月亮、行星、恆星是很多個套在一起的球殼，它們都圍著地球轉。後來因為逆行的現象，人們又在這個球殼上面的本輪上添加了一個或者多個均輪，總之這些星星都是這麼繞著地球轉的。
▲ 哥白尼宇宙
到了哥白尼的時代，人們開始意識到，原來地球並不是宇宙特殊的中心，它和那些行星的地位差不多。我們大家都是繞著太陽轉。
▲ 現代宇宙模型
今天，我們對宇宙已經有了一個更加深入的認識：地球不是宇宙的中心，太陽也不是宇宙的中心。在銀河系的範圍內，我們的太陽系也只是獵戶座懸臂上面的一個很郊區的地方。太陽系也不是特殊的，實際上宇宙中和它類似的星系非常多。那到底什麼地方是宇宙的中心呢？我們甚至可以說宇宙處處是中心，或者宇宙沒有中心，這是我們今天對宇宙的新的認識。
離開地面，走向太空
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當有了這樣的認識，對整個宇宙有了更深刻的了解之後，我們就開始構造這條走向太空的路。我們要想達到星辰大海，大致也得分這麼幾個階段：我們得先離開地面，然後飛出大氣層，接著我們得能夠離開太陽系，再之後才是在星際之間穿梭。
科幻小說差不多都聚焦在星際穿梭這個層面，但實際上，今天連我們走出太陽系都是一件非常艱難的事情。在離開地面走向太空的這條路上，人類走得非常曲折。
這裡不得不提的是，我們中國古代其實就已經有這種離開地面的想像了。大家都很熟悉高鼎的《村居》，甚至很小就會背：草長鶯飛二月天，拂堤楊柳醉春煙。兒童散學歸來早，忙趁東風放紙鳶——我們最早離開地面的手段就是放風箏。
▲ 載人的風箏
據說春秋時期的魯班就做過木鳶，其實就是一種載人的風箏。風箏從古到今一直延續下來，我們現在的很多玩法都基於這個方案。
▲ 左：翼裝飛行
中：滑翔翼
右：動力傘
比如我們想到的其他一些離開地面的方式，翼裝飛行、滑翔翼、動力傘，這些都可以幫助我們離開地面。但是它都是滑翔，對吧？
如果想直接從低到高、原地起飛呢？我們又構思了一個辦法，就是向鳥兒學習。我們模仿鳥兒製作了一對翅膀，滑翔加上動力之後，就能飛上天空。
我們製造了各種各樣稀奇古怪的飛機，在這兒我要跟大家分享人類製造飛機的初期。你看看，我們有多麼大的腦洞，多麼奇怪的飛機！有這種圓筒的、多層的；有騎自行車的、好多好多層翅膀的；還有這種看起來像大號風箏的飛機，這就是我們早期離開地面的方案。
1910年洛杉磯國際航空展的時候，大家看到的飛機可以稱得上稀奇古怪、千奇百態。但是到了今天，基於我們對空氣動力學的了解，飛機逐漸趨向於同一個形狀，因為它是一個最優解。
當然也有特別的，比如直升機、四軸飛行器等等，但它們都利用了空氣動力學的基本原理，也就是流體力學。
很多時候，我們粗糙地把它稱作伯努利原理，不過實際情況要比這個複雜一些。但不管怎麼說，它是藉助空氣飛起來的一種手段。只有一種藉助空氣的手段嗎？其實不是。
我們古人還想到了另一個手段，就是孔明燈。利用熱空氣和氫氣比周圍空氣密度小的原理，就能獲得浮力，把人帶上天空。這個方案其實比飛機的方案成熟的更早，在1783年11月21號就已經有人離開了地面。
大家看到左側這個人叫皮卡德，右側是動畫片《丁丁歷險記》裡的向日葵教授。實際上，向日葵教授的原型就是皮卡德，他是瑞士聯邦理工學院的一位物理老師，和我是同行。但這個人比我厲害多了，他厲害在哪呢？他是第一個乘坐氫氣球到達平流層的人類。後來，他的兒子參與製作了世界上第一艘深潛器併到達海下一萬米。前些年，有一名駕駛著「太陽動力二號」環球太陽能飛機航行的駕駛員，也叫皮卡德，也是他們家族的人。
皮卡德甚至曾經參與了第五屆索爾維會議，在這張人類歷史上最著名的照片中，我們都能夠看到他。
我們如何走得更遠？
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直到今天，我們還在用探空氣球，可是這個方法依然不能飛出大氣層，我們就想到了別的辦法。
▲ 上左：萬龍出水
上右：萬戶飛天
下：水火箭
這個辦法是什麼呢？就是我們中國古代的火箭，也是今天有的學校還會製作的水火箭。這時候它就不再依賴空氣的動力了，而是什麼？是反衝運動。
在《加油向未來》這個節目裡，我們就曾經用200多個可樂瓶做的水火箭，把兩個人推到了空中，大家看到這個場景也非常的震撼。
實際上火炮的發射也會利用到反衝。當我們有了反衝運動後，再逐漸解決第一步，不掉下來；第二步，飛得更遠；然後第三步，飛得越來越遠。有了基本的反衝運動、動量守恆的基本道理，就可以帶著我們飛向宇宙。
今天我們利用反衝運動，利用這種不依賴於大氣層的手段，已經能讓火箭飛離地面，把我們的太空飛行器送出大氣層。繞月球的飛行器、到達火星的飛行器、正在繞著地球旋轉的空間站，它們都用這種反衝運動衝出了地球。
我們甚至可以想像《流浪地球》中的場景。如果你去做計算的話，會發現按照電影《流浪地球》裡的設定，如果想要獲得那麼大的推力，即便以光速的千分之一拋射物質，我們也需要每秒鐘拋射50億噸等離子體，這樣才能把地球推起來。
▲ 左：175米正常蓄水位高程，總庫容393億立方米，即393億噸
右：目前世界上最大的載重卡車797F，額定載重315噸
而50億噸等離子體是什麼概念呢？這意味著我們要在8秒鐘之內，把整個三峽的水噴光。電影裡邊用到了礦車，即使我們找到了現實生活中最大的載重315噸的礦車，這1秒鐘的消耗也需要大約1600萬輛這樣的礦車。
所以到今天為止，我們還只能推動很小的飛行器。如果想像《流浪地球》那樣，在未來帶著整個家園飛向遠方，恐怕還有很長的路要走。
▲ 引力彈弓
那麼在飛行的過程中，我們還可以借一些力，比如藉助不同的星體，如月球、金星、木星、火星等，靠它們的引力彈弓帶給我們一些加速的手段，但這些都還只是輔助。
未來我們想走得更遠，實現星際之間的穿越，有什麼方式呢？物理學家還在探索，大家還可以開腦洞。
▲ 左：空間曲率驅動
右：時空摺疊
目前，可能大家比較關注像《三體》裡邊提到的空間曲率驅動，我們甚至希望實現時空摺疊，通過黑洞和白洞中間連接的橋穿越時空。但是這些都還只是大家的想像，或者出現在一部分理論家的數學推演當中，我們還沒有在現實中觀測到，目前的物理還不支持我們這麼容易地做星際穿越。
但是我們還是希望大家保持著對星空的好奇，保持著這種信念，試圖去探索星辰大海，說不定哪天你就找到了那個能讓我們在星際之間旅行的方法。
我的演講就此結束，感謝大家！
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文章和演講僅代表作者觀點，不代表格致論道講壇立場。
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■ 背景簡介：本文2022年9月28日發表於微信公眾號 格致論道講壇（這張我們無比熟悉的圖片，竟來源於環地球軌道上的一次地球「自拍」 | 陳征），風雲之聲獲授權轉載。
■ 責任編輯：SS
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