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科幻变现实!地球资源充分利用后,该去太空“淘金”了

2019-10-19  gyjian

演绎 inSite 第三十一期节目

中国人的“太空淘金梦”

——开启小行星采矿之旅

苏萌

哈佛大学天体物理学博士

苏萌 @ 演绎 inSite 演讲视频:

以下为苏萌演讲文字稿:

(根据演讲现场整理,基于原意有所删减,完整版请看视频)

大家好我是苏萌,今天和大家分享的话题是:中国人的「太空淘金梦」——开启小行星采矿之旅。

阿波罗计划在 50 年前—— 1969 年的 7 月 20 号,让人类第一次登上了月球表面,那么 50 年过去了,人类走向太空的脚步应该去哪里呢?

今年年初,中国的登月探测器嫦娥四号成功着陆到月球的背面,这是人类历史上第一个软着陆到月球背面进行科学探测的科考装置。未来,嫦娥四号的信号将会从月球的背面成功地传回地球。

图 | 嫦娥 4 号月球探测器(来源:CNSA/CLEP)

除了月球,人类已经把想象力的触角伸向了更深的太空和更遥远的太阳系。马斯克说过一句非常有名的话是:“走向太空是根植在人类心中的流浪的火种”。其实,人类是不能永远只生活在地球上的。将来,如果我们只能在地球上终老,遇到一件太空中可能会遇到的这种灾难,就像恐龙或者之前许多的物种一样在地球上消失。因此,当我们的科技发展到一定阶段后就要走出地球、走向太空。

我相信在不远的将来,5 年或是 10 年,人类就会在月球的表面、火星的表面建立人类长期能够居住的基地,使得我们真正走出地球。

就在去年,美国 NASA 的火星探测器发现:在火星的地表下有大量的水存在,所以我们其实可以在火星利用当地的资源建设起我们在火星生存的家园,而到时候我们需要充分利用太空的资源使得人类可以走出地球。

人类为什么想要走向太空?

其实,回过头来看,为什么大家会感兴趣走向太空?为什么人类这一物种需要走向太空?其实作为一个天文学家或者研究宇宙的一个科学家,我们仰望星空的原动力或者人类对自然的好奇心,是使得我们的文明可以持续不断向前发展的原动力。

(来源:Pixabay)

作为研究宇宙的科学家,其实是在回答一些曾经是哲学家会关心的问题:比如宇宙是由什么组成的?水是从哪来的?生命是如何在这样的一个蓝色星球上起源的?所有的这些问题归根结底都是科学问题,而我们就试图去回答这样的问题。

在过去的 20 年,我觉得宇宙学最大的一个进展是,认知到宇宙中大量存在着我们不知道的东西,我们把它他称之为:暗物质和暗能量,所以我们今天对宇宙的认知,其实就在颠覆我们曾经认为的常识。

我觉得,每一个人心目中的宇宙都是不一样的。比如 400 年前文艺复兴之后,人类对宇宙的认知无非就是地球是宇宙的中心;经过 400 年短短的文明发展,我们今天对宇宙进行了非常科学的描述,甚至可以进入到精确宇宙学的时代,对宇宙的年龄的测算可以精确到小数点之后。

我们用科学的方式去了解这个世界,就是通过人类技术的发展、科技的革命,去建设一代又一代越来越强大的望远镜,并且把很多探测装置发射到深空中,通过这些卫星可以采集越来越多的数据,通过这些数据的分析,告诉我们宇宙是怎么回事,回答一些最基本的科学问题。

天文学经过了几十年的发展,目前的发展模式遇到了一些瓶颈,为了回答一些最基础的科学问题,我们是在寻求政府的不同组织的经费支持,完全是用花钱的状态去回答科学家的问题。比如哈勃望远镜的下一代詹姆斯·韦伯望远镜,在上天之前大概耗资了 100 亿美金,我们花了将近 700 亿人民币来试图发射一个望远镜,使得它能够采集一些信号,回答一些最基本的科学问题。

图 | 哈勃望远镜(来源:Pixabay)

这个领域本身需要完成一些自内而外的模式上的变化,进一步通过自身科技的发展,让我们对宇宙的理解可以进入到下一个阶段,不仅需要更多公众的支持,更需要这个学科能够产生更多的价值反哺社会的发展。

对普通公众而言,最感兴趣的话题或许是:有没有外星人,外星人在哪里,人类是不是孤独的?所以我觉得这本质上也是我们人类作为一个物种,为什么要去探索太空的第二个原因,就是我们内在的一种因为孤独而产生的焦虑感。我们希望知道自己是不是孤独的,地球是不是宇宙中唯一的有生命,至少是高等生命存在的环境

其实不仅在今天,在上世纪 50 年代二战之后,有一个非常有名的物理学家叫恩里科·费米,当时他最有名的事情是领导了曼哈顿计划。他问了一个非常有名的问题,就是如果宇宙中有智慧文明的存在,那么为什么我们文明发展到今天还没有看到,或者说需要什么样的探测手段,才可以真正回答这个问题,这被定义为费米悖论

那这个悖论已经发展了几十年的时间,对外星文明的想象远远地超过了科学家的范畴。在好莱坞的很多科幻电影也在讨论这样一个主题,人类如果真正遇到了外星文明会出现什么样的事情,包括我们国家也开始有越来越多的科幻电影在想象人类跟外星人偶遇的故事。

现在正处于文明 0.7 时代

从更大的层面来讲,不管地球文明是不是孤独的,我们可以对文明进行这样一个分类,就是如果有一天人类可以把地球上所有的资源都充分利用,我们把它定义为文明 1.0

如果将来人类能走出地球,把地球所环绕的恒星,也就是太阳的资源或者太阳系的资源充分利用,我们把它定义为文明 2.0

如果我们真正有一天走出太阳系,走向银河系,把整个星系的能源和资源充分的利用,我们把它定义为文明 3.0

那,今天的地球文明处于什么阶段呢?首先我们没有走出地球,还没有把地球的资源充分利用,所以显然要比 1.0 更低一些,大概在 0.7,这是目前学界的大致判断。

宇宙诞生到今天是 138.1 亿年,如果把宇宙的这么长的时间压缩成 1 年,那文明出现在最后的 1 秒钟都不到的时间,所以几万年人类的文明其实就只是一瞬间。而且文明发展的速度是难以置信的,过去的 10 年、20 年我们能想象今天的生活吗?未来的 10 年、20 年、50 年也将完全超出我们的想象,因为科技的发展非常迅速,某种程度上是爆炸式的发展。

就在两年前,夏威夷的一个望远镜发现了一个有趣的天体,用夏威夷语来说叫 Oumuamua,翻译过来是“远方的使者”。发现以后对这个天体进行了一段时间的跟踪,不管是它的形状轨道还是运动方式,跟我们认知到的几百万颗太阳系天体完全不同,后来发现这是人类历史上发现的,第一个从太阳系外面跑到太阳系里面的物体,被人类的望远镜捕捉到,然后又迅速离开。

图 | Oumuamua艺术概念图(来源:ESA/Hubble, NASA, ESO, M. Kornmesser)

它具有非常奇特的性质,以至于我们现在没有一个科学的解释告诉大家,这是一个什么样的东西,我曾经在哈佛大学留学时的天文系主任 AviLoeb,看到这个物体的信号以后非常激动,他认为有可能这是人类历史上第一次看到了其他文明曾经存在过的证据。

我们今天看到了很多类似地球的行星,而这样的观测在 10 年前是不可想象的,20 年前我们甚至认为像地球这样的行星在宇宙中是非常稀少的,而今天天文学的观测告诉我们,天上有多少颗星星就至少有多少个行星,也就是说几乎每一颗恒星周围都存在着一颗行星甚至一个太阳系,所以在这样庞大繁杂的行星系统里,我们可以充分想象有文明的存在,但是文明在哪里,是需要天文学家进一步的观察及科学研究,需要有更强大的望远镜帮助我们回答。

比如在太阳系旁边最近的恒星比邻星,一直以来我们都认为它是一个孤独的恒星,就在两年前,首次发现比邻星旁边有一个行星系统,里面有一颗行星的大小跟地球类似,所以原则上这个行星上就有可能存在着生命。而这样一个距离在宇宙尺度上来讲是近在咫尺,所以霍金在去世之前就提出了突破摄星计划,我们原则上应该用一个探测器抵近观测,来告诉人类有没有生命。

那么如何做到这件事情呢?比邻星离我们 4.3 光年,也就是光要跑 4.3 年的时间,如何在有限的时间跑到这样的一个最近的恒星呢?

霍金提出来的方案是把一个非常轻非常小的探测器加速到 20% 的光速,用今天的科技发展能达到最大限度的一个能力,在未来的 20 年或 25 年的时间里,去告诉我们 Proxima b 上是不是有生命。

天文学发展遭遇瓶颈

那么,所有的这些告诉我们天文学需要发展,但仅靠人类的好奇心、政府的支持和有限的资源已经使天文的发展遇到了一个瓶颈。但是,目前科学家对太空环境的了解,为人类打开了一个新的窗口。

太空里其实存在着大量资源,这些资源是以各种不同的形式漂浮在太空中,如果我们能够把这些资源带回到地球使用,或者在去往火星的过程中使用这些太空资源,那将极大降低天文科学探索的成本,并且使得这个“天文探索——商业价值——回馈天文”形成了闭环。

就像人工智能在七、八十年代的时候,还只能是实验室里里研发的一个项目。但今天,大家都对人工智能耳熟能详,并且对社会产生了深远的影响,而这个影响产生的社会价值就可以反哺到人工智能本身的发展。我觉得类似这样的事情在每一个学科都会发生,而且我相信天文学的发展已经进入了这样一个阶段,那我们要做的就是通过开采太空资源这一手段,真正突破地球的局限,使人类进入一个多星球的时代。

作为一个天文学家反复在回答一些起源的问题,太空资源在哪里?怎么去开采?其实还是要回到最开始,我们是从哪来的?地球是从哪来的?

最开始,太阳系就是一团高温且密度很低的气体,在引力的作用下这团气体慢慢坍缩成一个盘状的结构,这个盘状的结构又碎裂形成一个一个的天体,包括火星、地球、月球、木星等。可以想象有很多物质最终没有变成行星的一部分,只是形成了一些大小不同的石块,它们就在太阳系里面漂浮着,自从 46 亿年前太阳系形成以来就一直漂浮着,而这些石块其实就是我们通向太空,通向文明 1.0,跨越 2.0 的物质来源。

(来源:Pixabay)

这些小天体大部分分布在火星和木星轨道之间,主要是有一个小行星带,我们把它叫做主带,主带上的小行星由于引力的影响,会时不时跑到地球周围。我们现在发现大概有两万多颗小天体,它们不仅含有非常丰富的太空资源,而且比月球、火星的资源要容易开采很多倍,所以这些小天体将会成为我们走向太空的第一步。

其实小天体离我们并不遥远,比如在两年前有一个火流星的事件发生在云南的香格里拉,大概是一个直径 10 米左右的小天体进入了大气层。所以这样的天体其实时不时的都会进入到大气层,10 米的比较多,如果是更大的小天体会发生什么样的事情呢?

6500 万年前恐龙突然灭绝了,现在学术界大部分人会认为是由于一颗直径 10 公里到 12 公里的小行星撞击到了今天墨西哥湾的地方,形成了全球的灾难。所以 10 公里的小天体会毁掉地球上大部分的物种,造成灾难性的事件,不过这样的事件发生概率很小,但是 10 米到 10 公里之间还有大量大小不同的小天体分布在地球周围。

目前科学家认为,小行星撞击地球是文明诞生的重要因素之一,比如地球上的水是由远古时候的彗星带来的,这些小天体反复撞击地球,使得地球的环境发生周期的变化,而这些变化就是我们文明跨越性进展的重要原因,最近的一次小天体撞击事件,大概是一个 300 米左右的小天体撞击到了今天美国的犹他州。

(来源:Pixabay)

如果真的有小行星撞击到地球,人类应该如何去面对?人类今天真的有能力去应对这样的事情吗?其实霍金在临终之前就表达了对地球的担忧,人类面对太多的不确定性,但还没有找到拯救自己的方式。

就在几个月前,有类似的一个模拟实验,假设一个直径100米的小天体要撞到地球了,我们是不是有办法去逃避,或者改变小行星的轨道避免灾难发生?

但结论很令人失望,经过整个人类不同组织群体的协调后发现,如果直径100米的小天体真的要进入到地球的大气,要砸向地表的话,我们是没有办法的,今天的科技还无法避免这类灾难的发生

这个模拟按照小行星落点去判断大概会有多少人伤亡,如果落到北京附近,100 米直径的小天体大概会造成千万人的伤亡,发生的概率虽然很低,但一旦发生就是灾难性的。

再举一个例子:在 2029 年,会有一个直径 600 米的小天体与地球擦肩而过,它的轨道甚至比地球的同步轨道,也就是地球发射的卫星的轨道还要低,离地球的距离大概就是 3 万公里左右,而地球的直径不过 1 万多公里,像这样的小天体万一砸到地球上,就会造成灾难性的影响。

(来源:NASA/JPL-Caltech)

那我们今天探测小天体的技术已经到了什么样的程度呢?

人类已经成功地实现了抵近并且着陆到小天体、小行星、彗星上,进行就地的研究,并且把上面的物质采回来供科学家研究,它们具有极高的经济价值。

比如有一个几年前从地球旁边擦肩而过的小天体,上面有很多的铂系金属,或者说重金属,这些金属的含量高到什么程度呢?一个 1 公里乘半公里的小天体,上面含有的铂金含量,比地球上已知的所有的铂金还要多,我们确定的知道地球周围的小天体里面,有着比地球多数千倍数万倍的太空资源,所以原则上我们可以利用太空资源来服务人类社会。

图 | 小行星采矿方案(来源:起源太空)

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