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宇宙探索的历史演进与时代价值

作者:周程 北京大学哲学系教授、博导

2022年6月5日,搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星中心成功发射,三名航天员顺利进驻天和核心舱,意味着中国空间站首次在有航天员的状态下迎接航天器来访,标志着天宫空间站的关键技术验证阶段圆满结束,建造阶段正式开始。2022年11月29日,搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射,三名航天员顺利进驻中国空间站,与神舟十四号航天员乘组首次实现“太空会师”。建成空间站是建设科技强国的标志性成果,对建设航天强国具有里程碑意义。习近平总书记指出:“建造空间站、建成国家太空实验室,是实现我国载人航天工程‘三步走’战略的重要目标,是建设科技强国、航天强国的重要引领性工程。”

人类尝试正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位,历经数千年的漫长岁月,但直到1957年成功发射第一颗人造地球卫星后,人类才真正进入太空疆域。在不到70年的时间里,航天为何已经成为国家整体战略中不可或缺的部分?人类为何要孜孜以求地研究天体的运动方式、航天器的设计制造以及外层空间的生态环境?通过系统回顾人类探索宇宙的阶段性历史,梳理人类在观察、理解、开发、利用宇宙的过程中认知不断深化的历史动因,能够较为全面地展现宇宙探索活动的复杂性、必要性和紧迫性,进而更为深刻地理解航天事业的时代价值。

不同时期的宇宙观测

对于古代先民而言,掌握日月星辰位置变化的规律,可以为日常生活、农业生产、典礼祭祀等服务。不同地区的人们都通过对天空和星体的观测划分季节和编制历法。公元前3000年左右,古埃及人根据对尼罗河河水涨落以及天狼星的长期观察,制定了最早的太阳历。这一历法将一年定为365天,与回归年只有四分之一天的岁差。大约在公元前5世纪,古巴比伦人就已经知道了黄道,并把黄道带划分为十二个星座,以神话中的神或动物命名,这套符号(即黄道十二宫)沿用至今。中国出土的武乙时期(约公元前1300年)的牛胛骨上已经完整地刻上了六十干支;在甲骨卜辞中还有相当数量的日月食、新星、超新星的记载。中世纪,阿拉伯人建造了巴格达智慧宫、马拉盖天文台及撒马尔罕天文台等世界一流的天文观测机构;创制了精巧便携的观星导航工具——星盘。同时通过翻译和研究包括托勒密的《天文学大成》在内的大量古希腊文献,将天文学这门重要的自然学科传承了下来。

1576年,丹麦天文学家第谷在汶岛建立了世界上最早的大型天文台。第谷一生中进行了四十余年不间断的天文观测,为16世纪提供了最完整、最精密的观察资料,是望远镜出现以前仅用肉眼观测所能达到的最高水平。他的工作是近代科学精密定量精神的体现。1609年,意大利物理学家伽利略首次使用自制的望远镜观察太空,发现了凹凸不平的月面、太阳自转、金星的相位变化以及木星的四个卫星等一系列重要现象。1668年,英国物理学家牛顿发明了第一台反射式望远镜。1781年,英国天文学家威廉·赫歇尔用自制的反射式望远镜发现了天王星。1840年,美国科学家约翰·W·德雷珀拍摄了已知的第一张清晰月球照片,自此天体摄影逐渐取代裸眼观察成为天文学的主要研究方法。

20世纪50年代,美国天体物理学家斯皮策首先提出把望远镜放入太空,以消除地球大气层遮蔽效应的建议。20世纪70年代,美国开始实施“大型轨道天文台计划”(Great Observatories),共研制并发射了4台大型空间望远镜,取得了证明超新星存在黑洞、测得目前最精确的宇宙膨胀速度等重大成果。2021年12月25日,詹姆斯·韦伯太空望远镜从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空,被认为是哈勃空间望远镜的“继任者”。

对宇宙运行机制的持续探问

在天象测录之外,人类也一直试图对表象背后更深层的宇宙运行机制作出合理解释。古希腊人将天文学视作关于天体运动的科学,使用严密的数学和物理理论来创建宇宙模型。亚里士多德提出宇宙是以静止的地球为中心的同心球体,并分为不完美的月下区域(成分是四元素)和完美的月上区域(成分是以太)。他的观点经几代哲学家不断改进,最终在公元2世纪由罗马属埃及的天文学家托勒密形成完善的“地心说”。“地心说”复杂的圆周理论(本轮—均轮模型)能够以较高精度计算天体的轨道,又与中世纪基督教神学思想契合,因此长期盛行于古代欧洲。但由于“地心说”无法解释的观测事实越来越多,在文艺复兴和人文主义运动的影响下,人们开始尝试描绘一幅新的宇宙图景。

1543年,波兰天文学家哥白尼的《天体运行论》出版,提出了“日心说”。其革命性的观点——地球和其他行星一并围绕宇宙中心的太阳运动——打破了地球静止和区分地球与天空的传统观点,挑战了人类对自身和世界的认识。1572年11月—1574年3月第谷对仙后座超新星从爆发到不可见的连续观测以及在1577年对大彗星的观察,彻底推翻了亚里士多德“天体不变”的观点。1609年—1618年,德国天文学家开普勒一直致力于寻找和量化行星运动的物理原因,经过缜密的计算,发现了著名的行星运动三定律,使得宇宙探索真正走上了科学的轨道。1609年,伽利略用望远镜观察到一系列重要现象,为“日心说”提供了强有力的证据,并开辟了依靠精密仪器和实验解释天体运动的新时代。

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中提出物体运动三大定律和万有引力定律,奠定了经典力学的基础。1705年,哈雷运用牛顿定律计算并预言了彗星的回归时间,这颗彗星被命名为“哈雷彗星”。1759年3月,“哈雷彗星”如期而至,完美验证了牛顿的理论。可以说,牛顿实现了自然科学第一次理论性大综合,拉开了18世纪启蒙运动的序幕,宇宙从此成为完全理性的、可以认知的研究对象。1845年,英国天文学家约翰·亚当斯利用万有引力定律,预言天王星后面还存在一颗行星在影响着天王星的轨道。一年之后,人们在理论预言的轨道位置真的发现了这颗行星,也就是海王星,宣告了万有引力理论的彻底胜利。

1859年前后,英国天文学家威廉·哈金斯通过对天体光谱的分析发现其它恒星和太阳都有相同的组成元素,首次推翻了太空是由特殊物质“以太”组成的结论。1868年,英国天文学家洛克耶和法国天文学家让森通过对太阳光谱的分析发现了“氦”元素。这些工作标志着天体物理学的诞生。1916年,爱因斯坦提出广义相对论,指出任何具有一定质量的物体都会使它周围的空间发生弯曲,使经典力学体系下无法解释的水星近日点进动问题迎刃而解。他进一步指出时间并非以恒定的速度流逝,而是和观测者的状态有关。这个概念对于一些卫星具有很重要的意义,例如全球定位系统,因为它们的正常工作都依赖于高精度的原子时钟。

可以说,在太空时代到来之前,依靠人类智慧和辅助工具,学者们构建的宇宙模型已愈发精确。然而,人类对宇宙全面直观的认知还有待将探测器和宇航员送入太空的努力。

进入宇宙空间的准备过程

进入宇宙是人类自古以来的梦想。在17世纪,牛顿已经从运动学上计算出迈向星空所要达到的“第一宇宙速度”。20世纪上半叶,这一目标分为两个阶段逐渐成为现实。

第一阶段是现代航天理论的建立。1903年,俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表《利用反作用力设施探索宇宙空间》一文,从理论上论证了利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到地球轨道的逃逸速度,奠定了火箭运动的基本理论。1919年,美国物理学家罗伯特·戈达德发表了《到达超高空的方法》,这是第一篇关于使用火箭进行太空旅行的实用论文。1923年,德国物理学家赫尔曼·奥伯特的《飞往星际空间的火箭》一书,确立了火箭在宇宙空间推进的基本原理,并推动了1927年火箭业余团体“太空旅行协会”的成立。赫尔曼·奥伯特的著作使得大批德国青年对火箭产生兴趣,其中就包括“现代火箭之父”冯·布劳恩。

第二阶段是火箭技术的发展与应用。因对长程攻击武器的需求,德国陆军在1932年开始推进液态燃料火箭实验。1942年,冯·布劳恩带领团队研制出世界上第一种弹道导弹(V-2导弹)。1944年6月20日,德军V-2火箭试射(编号MW 18014)成功穿越卡门线进入外太空,成为人类历史上第一个飞行至太空的人造物体。V-2火箭是之后所有太空发射器的原型。

二战结束后,美国和前苏联均在德国的研究基础上继续从事火箭及其他航天技术的研究,例如1946年—1952年,美国将V-2火箭改装为探空火箭,创立了X射线天文学这门新的学科。20世纪50年代,各种类型的导弹武器相继问世,形成了导弹武器系统,同时也积累了研制运载火箭的经验,建立了与之配套且初具规模的工业设施。聚硫橡胶和高氯酸铵复合推进剂等的研制成功,使制造大型固体火箭发动机成为现实。经过近半个世纪的积累,将人造卫星送入轨道已具备可行性。

1957年10月4日,前苏联成功把世界上第一颗人造地球卫星(斯普特尼克1号)送入太空。这次任务探知了地球高空大气的密度,且为后续发射积累了宝贵的经验,正式宣告太空时代的到来。首颗卫星的成功发射震惊了西方世界,甚至在美国引发了“斯普特尼克危机”,直接导致1958年10月美国国家航空航天局(NASA)的成立。此后美苏两国更是展开了持续20余年的太空竞赛。航天活动频率增加、目的多样,推动宇宙探索进入利用太空、管理太空的新阶段。

太空时代的宇宙探索

1957年至今,人类送入地球轨道的卫星已经超过1.3万颗;仅2021年,全球就实施了146次发射任务,发射航天器总数量达1846个。可以说,宇宙探索已经进入以航天活动为主的规模化时期。航天活动因任务的目的和难度有所区别,可以分为地球应用卫星、载人航天和深空探测三大领域。

地球应用卫星是发射数量最多的航天器。应用卫星的发展非常迅速。1960年4月1日,美国发射了全球第一颗气象卫星“泰罗斯1号”,开创了从太空观测地球大气的新时代。1960年8月12日,美国发射了第一颗专门用于全球通信的卫星“回声1号”,奠定了现代卫星通信的基础。从20世纪70年代起,通信、遥感、导航等不同用途的应用卫星体系开始建立。美国在1973年启动全球定位系统计划,1995年达到完全运行能力。20世纪80年代以后,应用卫星朝着长寿命、多用途方向发展,基本形成了商业卫星发射服务市场。进入21世纪,应用卫星朝着低成本、小型化发展,卫星产业成为商业航天的主要组成部分。

载人航天是当今世界技术最复杂、难度最大的航天工程,目前只有前苏联(俄罗斯)、美国和中国三个国家能够实现独立将人类送入太空。载人航天的发展大致可以分为三个阶段。第一阶段是人类进入太空的尝试。1961年4月12日,前苏联宇航员尤里·加加林乘坐“东方1号”宇宙飞船环球飞行成功,实现了世界上首次载人宇宙飞行。这次飞行证明了当时在技术上已经解决失重及再入大气层等难题。1965年3月18日,前苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫搭乘“上升2号”宇宙飞船,进行了史上首次太空行走。第二阶段是载人登月计划。为了扭转首轮太空竞赛中的不利地位,美国于1961年5月宣布启动“阿波罗计划”,旨在完成载人登陆月球和安全返回地球的目标。1969年7月20日,“阿波罗11号”飞船的登月舱降落在了月球表面。阿姆斯特朗与奥尔德林代表人类首次踏上月球,成为轰动世界的历史性事件。第三阶段是多用途载人航天器的开发。这一时期,美苏两国都将载人航天活动的重点转向可长期、重复、综合利用的载人航天器,但各有侧重。前苏联在1971年—1982年共发射了7个“礼炮”号空间站。1996年4月26日,俄罗斯最终建成人类首个可长期居住的空间研究中心“和平号”空间站。美国则主要致力于航天飞机计划。历史上共有5架航天飞机曾执行过飞行任务。30年中,5架航天飞机成功完成133次飞行任务,包括发射、维修卫星以及空间站、运送人员和物资等,最引人注目的是哈勃空间望远镜的发射及其在轨维护。然而,两次机毁人亡的灾难性事故暴露了航天飞机在设计和技术上的重大缺陷,全部航天飞机因安全问题在2011年7月21日正式退役。空间站和航天飞机虽然是两种不同的技术路径,但二者的经验都为“国际空间站”的建造提供了助力。国际空间站于1998年11月开始建造,采用桁架挂舱式结构。作为当今功能最完善、合作范围最广的载人航天项目,国际空间站为人体学、生物学、物理学等众多领域提供了大规模的空间科学研究与试验平台。

深空探测是指脱离地球引力场,将飞行器送入行星际轨道的探测活动。1958年,前苏联研发出了能够加速到第二宇宙速度的月球探测器“月球2号”及“闪电号”运载火箭,并连续发射了多个月球、金星和火星探测器,开始对太阳系进行深入探索。迄今,人类已经探测过太阳系的7颗行星、太阳、彗星和小行星,实现了在火星、金星、土卫六等天体上的软着陆,并于2005年成功执行了撞击彗星的任务。人造航天器最远已经飞到了太阳系的边缘。

作为后发国家,中国的航天事业采取循序渐进、逐步扩展的策略,以“东方红一号”“神舟五号”“嫦娥一号”为三大里程碑,首先具备了进入宇宙空间的能力,随后发展了宇宙空间应用能力,在国家经济实力壮大后,开始发展载人航天和深空探测能力。

宇宙探索的时代价值

宇宙探索的历史,是计时、历法、航海等实际需求促成天文学诞生,通过探索宇宙指导人类社会生产进步的历史;是天文学和数学、物理等其他基础学科相互渗透和促进,领导自然科学革命的历史;是借助各种先进仪器研究天体的物理状态,解析宇宙奥秘的历史;是航天器、运载工具、控制系统等多种要素组合,完成航天任务的历史。总体而言,当前的宇宙探索活动在多个方面体现了自身的价值。

首先,宇宙探索是人类认识客观世界的重要途径。一方面,作为制高点的宇宙空间提供了全球观察的场所,可以对地球进行各种目的的大范围观测;另一方面,研究其它行星能够帮助人类确切了解地球在太阳系中的地位。在科学史上,以“日心说”的提出为肇端,几代学者接续完成了一场天文学革命,最终促成以物理学革命为主的科学革命,深刻地影响了人类文明进程。

其次,宇宙探索是高新技术和前沿科学的诞生地和练武场。一方面,航天工程是最复杂的科技集成系统之一,它的发展将会带动巨型火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、自动控制、真空技术、低温技术、半导体技术等一大批高技术领域的发展。另一方面,在外层空间独特的高真空、微重力、超低温、强辐射环境中,可以开展针对新材料、新工艺以及生物制品的综合研究,检验各种极端物理条件下的物理理论。

最后,宇宙探索是衡量国家实力的重要标志。随着各种航天器的大量部署和应用,国家对宇宙空间的争夺已成为影响战争胜负的关键。各类卫星从侦察、监视、预警、导航、通信和气象保障等方面支援地面、海上和空中作战,成为不可或缺的作战支援力量。因此,在当下和未来的国家安全战略中,要想不受制于人,必须拥有明确的宇宙探索目标和相当的宇宙探索实力。北京大学哲学系科技哲学专业博士研究生李芳薇对本文亦有重要贡献)

[责任编辑:张尧]