移民火星 ——SpaceX公司的方法和理由(一)

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移民火星 ——SpaceX公司的方法和理由(一)
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文章转自waitbutwhy

作者。Tim Urban

微信公众号。waitbutwhy

这是有关埃隆·马斯克(Elon Musk)公司的四部分系列文章的第三部分。关于该系列文章产生的缘由以及马斯克如何参与文章的撰写过程,请参见第一部分

文前说明。十周前,我开始撰写这篇文章。起初,我未曾预料到会遇到如此严峻的考验。但就像那篇特斯拉的故事那样,当我意识到以下两点后,就下定了决心。这是个极为重要的主题,在未来必然会更加引人关注,同时,这也是绝大多数人不熟悉的领域。经过数周的研究以及与马斯克等人的探讨,对于所谓的“人类和太空的故事”,我有了深入系统的了解,它再一次彻底重塑了我脑海中对未来的构想。在我构思这篇文章内容时,我要确保每位Wait But Why的读者在读完时都能获得相同的知识,并能以此为基础继续他们的探索。毕竟在面对即将到来的一切时,这些知识都是我们所需要的。因此,就像特斯拉的故事那样,这篇文章成为了一个完整的体系。就连最终促成本文发表的进度更新也成为了一个完整的体系。

文章概况。文章分为三部分。第一部分介绍了梗概和背景,第二部分探讨了移民火星的理由,而第三部分则深入探讨了移民火星的方法。


公元2365年,木卫三

出发的前一天。眼前的景象是如此不真实,她依然觉得难以置信。这里有她之前听说过的一切。包括百年前第一批登陆木卫三的人类所建造的建筑、房子般大小的动物、她所知的面积跟整个地球差不多的海洋、热带沙滩、蓝色的天空以及近到能够灼伤皮肤的巨大太阳,最诡异的是,居然没有木星在头顶上盘旋。由于在众多电影里看到过这些事物,所以,她觉得自己好像在参观一部传奇电影的布景地。对这一切,她的脑袋有些应接不暇。现在,她需要考虑自己是不是已经获得了自己需要的一切,并向其他人告别。毕竟下一次再来,可能要很久以后了。

第一部分。人类和太空的故事

约600万年前,一只重要的母类人猿诞下两只幼崽。其中一只将成为所有黑猩猩的共同祖先。而另一只,则将繁衍出一支物种,这支物种终将进化成全人类。尽管第一只幼崽的后代将保持正常猴子的样子,但随着时间的推移,另一只幼崽的后代会发生奇妙的变化。

我们并不清楚原因,但在接下来的600万年里,我们的祖先开始尝试地球上的生物之前从未尝试过的事情——它们觉醒了。

这一切发生的速度很缓慢,是通过几千代循序渐进的演化实现的,就好比一个人刚睡醒时,大脑需要有几秒钟的时间恢复清醒。伴随着意识逐渐明朗,我们的祖先开始环顾四周,第一次,他们开始思考。

从36亿年的梦境醒来后,地球上的生命第一次开始思考问题。

我们所在的这个巨大的空间是什么?谁把我们放在了这里?头顶这个明亮的黄色光圈是什么?这个光圈晚上去了哪里?大海的尽头在何处?如果到达那里,会发生什么?为什么所有死去的人都消失了?他们去了哪儿?

我们提出了人类最伟大而神秘的问题——我们在那儿?我们渴望找到解决这一问题的办法。

当人类的意识变得更加清晰,我们逐渐总结出看似合理的答案。也许我们正站在一块漂浮的圆盘上,而一只巨大的海龟正驮着它。或许,夜晚在我们头顶上闪耀的那些微弱光点是来自巨大空间之外的一束光束,而那也是我们死后将去的地方。如果我们能找到巨大空间的天花板与地板的交接处,我们就能伸出头看看外面的世界,发现这片天地之外的种种精彩与神奇。

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约1万年前,分散独立的人类部落开始走向融合,形成第一座人类城市。在更大的集体中,人们有机会与他人探讨这个奥秘,展开部落间、代际间的交流。随着学习方法的日益丰富和各种线索的不断累积,人们有了新的发现。

这个世界显然是一个球的形状,而不是个圆盘。也就是说,所谓的天花板,实际上是围绕在我们四周的更大的球面。我们身在一个球体之中,漂浮在这个球体外的其他物体不仅硕大无朋,与我们的距离也是完全超乎想象的。此外,还有一点事实令我们沮丧——

那就是,太阳并不是以我们为中心在旋转,是我们在绕着太阳旋转。

这是一个重大的发现,清晰明确,却令我们感到失望。我们为什么不是宇宙的中心?这说明什么?

我们在哪里?

我们所在的地球已经庞大到令人不安,如果它并不是宇宙的中心,那么我们生活的这个星球难道只是宇宙中一个毫无来由、偶尔存在的球体吗?这一切当真如此吗?

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这令我们感到恐惧。

于是,情况变得更加复杂了。

如此一来,地球边缘那些光点就并非我们所想的那样,它们显然是其他星球,类似于我们的太阳。它们就像我们的太阳那样漂浮着。这同时也说明,我们并不是在地球的里面。不仅我们的星球不是宇宙的中心,就连我们的太阳都不过是宇宙中一个偶然存在的家伙而已,不是中心,而是被包围在虚无中。

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这令我们感到恐惧。

看起来,我们的太阳是一片更庞大的事物中的一小部分。这个更庞大的事物是一片由数十亿个太阳组成的巨大而美丽的星云。万物皆在其中。

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最终,我们得出了上图所示的结论。然而,后来我们又发现,真实的情况是下图这样。

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一片黑暗。

随着工具和知识的进步,我们的视野更加开阔,更多的事物呈现在我们眼前。在敢冒风险解决“我们在哪里?”这个问题时,我们发现,我们居然是孤独的。我们身在孤岛中的孤岛,深埋在隔离层中,找不到其他可以交谈的生物。

这就是我们的宇宙。

人类产生至今只有200万年左右,与地球历史相比是十分短暂的,在最近2万年里,,我们成为了地球上第一个了解到宇宙的生物,而从那一刻起,集体的生存危机问题就一直萦绕在我们心中。

这并没有什么好责怪的。从对宇宙一无所知到发现宇宙的存在,要接受的信息量何其庞大。

我们中的大多数人都安于生活在错觉中,欺骗自己我们所在的地球会一直生机盎然和充满温暖。我们就像这个竭力逃避现实的人一样。

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而支持我们这么做的理由就是清澈湛蓝的天空。这片蓝天的存在似乎就是为了帮助我们回避宇宙的存在,在我们与现实间拉起了一道不可思议的完美幕布。

而当黑夜降临时,宇宙整个显现在我们面前。

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我们才不得不承认事实……

视而不见→承认……→视而不见→承认……在人类的近代历史中,我们与宇宙之间的关系一直像旋转木马一样反复不定。

但在过去60年里,这一关系有了质的飞跃。二战期间,导弹技术飞速发展,一个令人兴奋的新概念——

“太空旅行”首次具备了可能性。

千百年来,人类和太空的故事一直都是“盯着窗外思考”。人类离开居住的地球孤岛,航向太空的可能性瞬间点燃了人类的冒险精神。

我想象了一下15世纪人类的感受。在那个发现新大陆的年代,“我们在哪儿?”这个问题翻到了世界地图的篇章,跨洋航行的想法曾经令人惊叹。如果回到1495年,当你问孩子们长大后的梦想是什么时,他们会不约而同地回答。“当一名航海探险家”。

而在1970年,当你问孩子们同一个问题时,他们会回答你。“当一名宇航员”(也就是宇宙探险家)。

二战推进了人类太空旅行的步伐。1957年年底,苏联将第一颗人造卫星——伟大的伴侣号送入轨道。至此,太空旅行成为了世界大国的明确任务。

当时正是美苏全面爆发冷战的时期,在全世界的瞩目下,两国在各个领域都斗得不可开交。苏联人成功发射“伴侣号”,显示出强大的实力,震惊了美国人。

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对于苏联来说,先于美国将卫星送入太空证明苏联的技术领先于美国,这也相当于向全世界证明,共产主义体制优于资本主义体制。

8个月后,美国国家航空和航天局(NASA)诞生了。

太空竞赛就此拉开帷幕。而NASA的第一项任务就是将人类送入太空,之后就是将人类送入轨道。美国希望在这两项任务上都能够赶在苏联之前,他们不想再看到苏联的炫耀了。

1959年,为执行这一任务,NASA启动了“水星计划”。眼看成功在望,结果在1961年4月,苏联将尤里·加加林(Yuri Gagarin)送入了地球轨道,于是,第一个进入太空和 地球轨道的人类成了苏联人。

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美国认为是时候采取果断措施了。约翰·肯尼迪(John F. Kennedy)的顾问告诉肯尼迪。苏联已经在这些近期的成果上大举超越了美国,美国要想翻盘并非易事。但是,在未来人类登陆月球这一事业上,美国有充足的时间准备,完全有机会捷足先登。于是,肯尼迪发表了他著名的登月演说。“我们决定登月,不是因为它轻而易举,而是因为它困难重重”。同时,肯尼迪为这个任务申请了200亿美元的巨额拨款(相当于今天的2050亿美元)。

阿波罗登月计划就此诞生。阿波罗计划的任务是让美国人率先登上月球。而苏联则推出了他们自己的登月计划——“联盟号”作为回应,竞赛一触即发。

在阿波罗计划第一阶段开始的同时,水星计划也终于跨出了重要的一步。尤里·加加林成为进入太空的第一人后仅一个月,美国宇航员艾伦·谢泼德(Alan Shepard)就成为了紧随其后的第二个。虽然艾伦只完成的轨道的一小段飞行,但是这并不影响他在近地轨道弧顶与太空实现亲密接触。数月之后,在1962年2月,约翰·格伦(John Glenn)成了首个绕地飞行的美国人。

之后的七年里,先后有22名美国人和苏联人进入太空,两个超级大国以此炫耀它们的技术和能力。到1968年底,疯狂追赶的美国成功进入太空17次,超过了苏联(10次)。而两国共同主宰了所谓的近地轨道(LEO)。

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但是,自60年代初起,近地轨道不再那么令人热衷。两个超级大国都坚定地将目光投向了月球。阿波罗计划进展迅速。1968年12月,美国成为第一个越过近地轨道的国家。阿波罗8号进入月球轨道,在飞行了10圈后安全返回地球。当时,包括詹姆斯·洛弗尔(数月后,洛弗尔在阿波罗13号任务中扮演了汤姆·汉克斯在影片《阿波罗13》中的角色)在内的机组人员创造了人类所能达到的轨道高度新纪录,成为第一批近距离观察月球和看到月球背面的人类,也是第一批看到地球完整整体的人类,同时,他们还拍下了下面这张经典照片。

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返回地球后,阿波罗8号的宇航员们成为了美国最受人尊重的英雄,这种崇拜热度大约持续了8个月。紧接着,是陆续登场的三个阿波罗号任务。1969年7月,载有美国人奈尔·阿姆斯特朗(NeilArmstrong)和布茨·奥尔德林(Buzz Aldrin)的阿波罗11号第一次把人类送上月球。阿姆斯特朗当时拍下了这张奥尔德林穿着笨重宇航服的著名照片。

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这一事件的重要性难以言喻。地球上的生命已经存在了36亿年,从未有一种生物能够踏上地球之外的其他天体。突然间,阿姆斯特朗和奥尔德林出现在了另一个星球上,当他们抬头望向天空中那原本属于月亮的位置,却看见了地球。这是令人疯狂的一幕。

阿波罗登月计划取得了空前的成功。它不仅赶在苏联之前将人类送上了月球,还在接下来的三年半里,又通过另外五次阿波罗任务陆续将十人带到了月亮上。阿波罗计划总共尝试了七次登月,成功了六次。唯一的例外是著名的阿波罗13号,当时飞船上的贮氧箱爆炸,宇航员们在保证安全的前提下放弃了这次任务。

苏联的“联盟号”计划不断因技术问题而碰壁,始终没能完成登月任务。

阿波罗号于1972年底进行了最后一次月球漫步。人类仅用了10年时间,就征服了近地太空,成功的步伐不断加快。那时,如果你请一名美国人或是其他任何人预测太空旅行在未来数十年的发展,他们必然会做出大胆而宏伟的猜想。会有更多人登上月球、建立永久性的月球站、人类登陆火星等等等等。

所以想象一下,如果在1972年,在目睹了12个人类宇航员漫步月球之后,你告诉人们,43年后,在难以想象的2015年,登上月球的人类仍然只有12人;或者你说,虽然在早年技术低下的时候,我们已经飞越近地轨道,并将近地轨道用作人类的登月前沿站,但到了2015年,人类仍在原地踏步,近地轨道依然是我们能到达的最远的地方——那人们该有多么吃惊。

1972年的人会为我们的智能手机和网络赞叹不已,但必然会为我们放弃了太空扩张计划而震惊。

究竟是为什么?人类在经历了10年疯狂的太空探索后,为什么停下了脚步?

就像在特斯拉的故事中讲到的那样,“我们为什么停下了脚步?”并不是一个正确的问题。我们更应该问。

“当初我们为什么冒险将人类送入太空?”

太空旅行无疑是成本高昂的,而且国民预算是非常紧张的。事实是,一个国家居然为了探险和荣耀而把巨额预算投入到开拓太空空间上,这其实是非常不可思议的。

任何国家都绝不会将它的预算奢侈地扔到探险、荣耀和开拓人类活动疆域上。两个超级大国倾尽预算只是单纯的为了“拼肌肉”。在那个大家都更加关注经济制度优劣的时代,国际上的尴尬局面促使美国政府暂时在那几年同意放弃他们奉行的原则,投入所有必要的资源解决这个问题,确保自己能赢得舆论的支持。

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当他们胜出的那一刻,竞赛就终结了,美国又开始以正常方式花钱了。

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美国和苏联不再倾其所有开拓太空领地,他们恢复理智,收起锋芒,互相握手,然后开始像成年人那样携手在更有实际意义的项目上展开合作,譬如在近地轨道建立联合空间站。

在那之后的四十年里,人类和太空的故事再次回到了地球上,在这儿,我们总结出人类需要前往太空的两个主要理由(注意。文章下一部分的整体内容有些偏离主题,主要是对卫星、航天探测器和太空望远镜的介绍。)如果您不感兴趣,我并不介意您直接跳到“国际空间站”章节)。

1、 支持地球产业

自阿波罗计划以来,人类与太空互动的首要动机与人类在太空的利益无关。它的实际目的是支持地球产业,主要体现形式是卫星。今天的火箭发射大多数只是将设备投放到近地轨道,目的是为了回过头来观察地球,而不是向外探索无垠的宇宙。

以下是卫星的一些概览。

卫星(蓝色部分)

我们不会经常想到它们,但我们头顶上时刻都有数以百计的自动设备在飞行,它们对于人类在地球上的生活发挥着巨大的作用。1957年,只有苏联的首颗人造地球卫星孤独地环绕着地球,但今天,通信、天气预报、电视、导航以及空中摄影领域都非常依赖卫星,许多国家的军队和政府情报部门也是如此。

卫星制造、太空发射以及相关装备与服务的市场总额已经从2004年的600亿美元飙升到了2015年的2000多亿美元。今天的卫星产业收入仅占全球电信产业收入的4%,但占太空产业收入的60%以上。

以下是全球卫星的功能分类(2013年)。

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2015年初,轨道上的1265颗现役卫星中,美国拥有数量最多,达528颗,超过总数的40%,但50多个国家拥有至少一颗在轨卫星。

至于位置,这些卫星大多数都位于两个截然不同的太空“层”。

约三分之二的现役卫星位于近地轨道。近地轨道的下限是地球上空99英里(160公里),是物体无大气阻力绕轨运行的最低高度。近地轨道的上限是地球上空1240英里(2000公里)。通常,高度最低的卫星位于地球上空约220英里(350公里)或更高的位置。

大多数其他卫星(约三分之一)位置要高得多,位于所谓的地球静止轨道(GEO)之中。这种轨道正好在地球上空22236英里(35786公里),得名原因是因为轨道中运行物体的角速度与地球自转角速度完全相同,使得其在太空中的位置相对于地球保持静止。对于地面上的观察者而言,这种卫星看起来一动不动。

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对于电视卫星这样的设备来说,地球静止轨道非常理想,因为地球上的卫星接收天线就可以始终对准一个固定的点。

少数其他卫星位于中地球轨道,近地轨道和地球静止轨道之间都属于中地球轨道。中地球轨道中最著名的就是大多数美国人和其他许多国家的人每天都在使用的全球定位系统(GPS)。我之前从未意识到,作为美国国防部项目1995年投入运行的整个GPS系统总共才使用32颗卫星。而且直到2012年,数量仍然仅为24颗,6条轨道,每条轨道上4颗卫星。但是你在下面的GIF动画中可以发现,即使只有24颗卫星,任何时间地球上任何地点都可以被至少6颗卫星看到,而且通常是9颗或者更多的卫星(在动画中,地球上的蓝点是地面上一个假想的人,能看到这个人的卫星显示为蓝色,绿线表示它们看这个人的视线)。

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正因为如此,即使在没有移动电话服务的地方,手机地图仍能显示所在位置,因为这与移动电话服务无关。系统还进行了冗余设置,其实只需要4颗卫星同时观察,系统就能对你进行定位。GPS卫星轨道周期约为12个小时,每天可整整绕地球两圈。

你可以用Google Earth查看卫星位置(这是一段Google Earth显示卫星的精彩视频)。

太空垃圾(深蓝部分)

卫星轨道中存在着一个巨大的问题。在1265颗在轨运行卫星之外,还有数千颗废弃卫星,以及大量以前太空计划用过的火箭。有时其中一些会爆炸,或者两两碰撞,从而产生大量微小碎片,即太空垃圾。最近数十年,太空中物体的数量快速增长,正如欧洲航天局(ESA)制作的一张GIF动画图片6所示(相对于地球。物体尺寸有所放大)。

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大部分卫星和太空垃圾都挤在近地轨道,外面的一圈物体位于地球静止轨道。

地球上的太空机构在太空中共追踪到约17000个物体,但其中仅7%为现役卫星。下图显示了目前太空中所有已知物体。

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但可怕的是他们只追踪了大型物体,而这就已经是我们在图中看到的景象。小型太空垃圾(直径1 – 10厘米)的数量估计在15万到50万之间,直径大于2毫米的太空垃圾总数在100多万以上。

问题是在太空物体惊人的运行速度(大多数近地轨道物体都以17000万英里/小时以上的速度飞速前进)下,即使微小物体的碰撞都可对现役卫星或航天器造成毁灭性破坏。在这样的速度下,即使直径仅1厘米的物体都会在碰撞中造成与小型手榴弹相同的破坏。

三分之一以上的太空垃圾都来自以下两次事件。2007年,中国在反卫星试验中击毁了本国的一颗卫星,新产生了3000片大小可被追踪的的太空垃圾;2009年,美国和俄罗斯的两颗卫星发生碰撞,爆裂成2000片太空垃圾。15每次碰撞都会增加太空垃圾的数量,而这反过来又会增大未来更多碰撞的可能性,这意味着存在多米诺骨牌效应的风险,科学家称之为凯斯勒综合症(Kessler Syndrome)。许多方面都在提出减少近地轨道太空垃圾的方法,从渔网捕捞法激光销毁法,到气体拦截法,不一而足。

下图为各国“太空足迹”统计,显示各国所产现役卫星、废弃卫星以及太空垃圾的数量。

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在人类/太空互动领域的“支持地球产业”类别中,还有其他几种太空活动,如太空采矿太空葬礼以及太空旅游,但至少目前,卫星几乎占据了整个类别。

2、 观察了解

过去四十年,人类与太空互动的第二大动机证明,虽然我们或许已经停止了向宇宙大环境发射人员,但我们对了解外太空的渴望从未消退。人类社会离开太空领域,将注意力转移到其他地方,而天文学家则一直忙于一页页破译《我们在哪里?》这部古老的神秘小说。

天文学家最好用眼睛观察,而太空竞赛的副作用之一就是观察外太空的技术得到了长足发展。现代天文学家有两种高科技观察手段。

观察了解手段1。向太阳系发射探测器

通常,首先科学家向某个遥远的行星、卫星或小行星发射一个特别的自动设备,于是该设备枯燥地在太空飞行数月甚至数年,直到最终抵达目的地。然后,根据计划的安排,设备要么只是飞掠,沿途拍摄一些照片,要么环绕目标飞行,采集更加详细的信息,要么登陆目标,进行全面的考察。探测器会将采集到的所有信息都传回地球,最后在任务完成后,我们要么会让它撞向目标自我销毁,要么会让它直接飞向更遥远的太空,自行消耗殆尽。

我常常拿自己当石蕊试纸来测试公众可能知道什么或者不知道什么。正如我在这篇博文之前就提到过的,我从三岁起就真心喜欢上了天文学,因此,如果太空领域有什么进展是我不知道的,我就会假定大多数人都不知道。但对于太空探测器,我却感到相当茫然。在太空飞行的探测器有200个?50个?9个?它们为什么去那里,谁发射的,它们在做些什么?我所有知道的就是,时不时会有新闻报道某个探测器发回惊人的照片,我会打开cnn.com图片库,点击浏览,震撼上几秒,将链接发给三个同样喜欢天文学的朋友,之后要关页面时却看到页面旁边CNN的一些垃圾钓鱼标题,并且点了,然后接下来我三个小时就毁了,非常可恶。这就是我和人类太空探测器的关系。

但通过琢磨这篇博文,我很快发现要了解的东西也没有那么多,花不了太多力气就可以完全弄清楚。以下是我认为现在需要了解的八个主要太空自动设备。

1、新视野号(冥王星,NASA)

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新视野号名列首位,因为它刚刚大显身手。2006年,新视野号发射,开始了长达十年的冥王星之旅(2007年飞越木星时借助其引力得到了大幅加速),最终于2015年7月14日抵达冥王星。它并未登陆冥王星,但飞得离它很近,首次向我们清晰展示了冥王星的庐山真面目。

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接下来,新视野号将继续向柯伊伯带飞去,以发回彗星和矮行星的图片。你可以在此处追踪新视野号的位置。

尴尬的是,由于冥王星在新视野号发射时还属于行星,因此在冥王星降级之后的这些年里,大家都不敢与新视野号团队有眼神接触。虽然我很理解大家对于冥王星降级的伤感情绪,但事实上,冥王星可能应该庆幸自己竟然冒用了76年行星的名号,在此期间掩盖了大量柯伊伯带天体的身影,使得同级别的柯伊伯带矮行星阋神星一直寂寂无名,直到2005年才被发现。

2、好奇号(火星,NASA)

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好奇号现在是一台非常著名的探测器。好奇号是一台汽车大小、可爱的自动登陆设备,2012年降落在火星表面,目前正在一个大型陨坑中研究各种事情,而它的首要目标则是弄清楚火星上是否存在过生命。早前的两台火星探测器,机遇号和勇气号,带着为期90天的任务计划在2004年实现了登陆。这两台火星探测器都超期服役了很久,而且机遇号目前仍在运行。表现太优秀了。

另外还有许多环绕火星运行的探测器,但是好奇号才是重点。

在研究过程中,我看到了一段视频,它来自于一部叙述勇气号探测器从地球发射到火星表面全过程的影片,我认为这是有史以来最精彩的视频。但我后来又发现了这段讲述好奇号登陆火星的视频,竟然更精彩。

3、朱诺号(木星,NASA)

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2011年,朱诺号离开地球,绕了一大圈后,在2013年又回到地球以获得重力助推(过程中它拍摄了一段月球环绕地球的精彩视频),目前正在前往木星,并将于2016年7月抵达。

一旦抵达之后,朱诺号将环绕木星运行,拍摄照片并利用传感器来探究所有氤氲云带下到底在发生着些什么。它将坠向木星自行销毁,而且有望在燃尽之前迅速拍下木星在大气层内的模样并将照片传回,以便人们能制作出虚拟现实视频,让你可以体验降落木星表面的过程。

4、卡西尼号(土星,NASA /欧洲航天局/意大利航天局合作项目)

1997年,卡西尼号发射前往土星,土星是太阳系唯一有芭蕾舞短裙般光环的行星。2004年,卡西尼号抵达土星,成为有史以来首个环绕该行星运行的探测器,并发回了一些让人惊叹的照片,例如这张。

还有这张。

这张靠近光环的照片。

这张太阳在土星背后的超精彩照片。

2005年,卡西尼号投下的惠更斯号登陆器降落在土星最大的卫星土卫六上。以下为惠更斯号拍摄的一张土卫六表面的实景照片(能看到像土星卫星这样遥远神秘天体的真实表面,感觉非常奇妙)。

5、6、旅行者1号、2号(木星、土星、天王星、海王星,NASA)

这两颗旅行者号探测器发射于1977年,是首批采集太阳系四个巨大带外行星图像的探测器。旅行者2号目前仍是唯一探访过天王星和海王星的探测器,并分别拍下了以下这些神奇的照片。

旅行者号有一点特别棒,就是即使最初的任务已经过去很久了,但它们现在仍在向外飞行。它们现在都已经离地球非常遥远了,并且速度非常快。旅行者1号在两者之中速度较快,其速度高达38000英里/小时(61000公里/小时),这意味着它五分钟即可飞越大西洋,而且它是离地球最远的人造物体,目前离地球131天文单位。它也是首个飞出太阳系的人造物体。按照这个速度,旅行者1号将在约73000年后抵达离太阳系最近的恒星比邻星(Proxima Centauri)。

旅行者号还有一点也特别棒,就是在发射前,卡尔•萨根(Carl Sagan)领导的一个NASA委员会在每个探测器上都搭载了一个时间胶囊,胶囊上面带有许多符号、声音、地球的图片(以及播放和观看的符号指南),因此这两个探测器哪天可以告诉外星生命我们在做什么。或许是浪费大家的时间,但谁知道呢。

7、罗塞塔号(彗星,欧洲航天局)

罗塞塔号(Rosetta)于2004年发射,2014年8月抵达彗星67P,并在数月之后成功在彗星上投下了菲莱号(Philae)小型登陆器,引起广泛关注。探测结果表明彗星67P差不多就是一块大岩石(长2.7英里/4.3公里),但罗塞塔号拍摄的照片非常精彩。

8、黎明号(灶神星和谷神星,NASA)

黎明号很难相信自己会上榜。我让它上榜的原因是因为我不确定人们是否知道小行星带中存在大小几乎与行星相当的巨大天体。小行星带是数百万小行星组成的环状区域,包含750000多颗直径1公里以上的小行星23,位于火星和木星轨道之间(切勿与环绕外太阳系、远大于小行星带的柯伊伯带混淆)。在小行星带众多小行星中,谷神星是一颗矮行星,直径为月球27%、质量占小行星带总质量三分之一,而灶神星则是该小行星带中的第二大天体,仅次于谷神星,是夜空中最明亮的小行星带天体。过去我并没有真的觉得谷神星和灶神星有什么。总之,黎明号2007年发射,2011年环绕灶神星运行了9个月,随后前往谷神星,并于2015年3月抵达(因此成为首个环绕过两个不同天体的探测器)。

太空中还有其他少数探测器。例如,信使号,该探测器环绕水星运行了七年,最后于2015年4月自行撞击水星结束使命;拂晓号,这颗日本探测器本来预计于2010年开始环绕金星,但尝试失败,今年将再次进行尝试;许多波澜不惊环绕月球运行的探测器,包括中国的嫦娥3号,该探测器在月球上投下了1976年以来的首颗登陆器;以及其他一系列观测太阳的探测器。以下是过去和现在所有探测器的详细清单,以及各国探测器总数的形象化示意图。

观察了解手段2。望远镜

17世纪早期就已经出现了望远镜,接下来的400年,随着其功能越来越强大,它们成为了人们阅读《我们在哪里?》的首要手段。

但是地基望远镜后来还是遇到了观测能力的极限,无论它有多么先进。你知道,透过玻璃杯中的水看灯,灯是多么扭曲奇怪吧?这就是星星一闪一闪的真正原因,只不过我们不是透过水,而是透过地球大气在观察。大气对光线的扭曲没有水那么厉害,但恒星和星系在天空中只是微小的光点,因此任何程度的模糊都会是巨大的问题,这就好像从游泳池水底往上看,想观察天上飞翔的鸟群一样。

20世纪60年代,人类拥有了将望远镜发射到太空的能力,在太空中,望远镜可以向我们展示完全清晰的恒星图像,这是有史以来的首次。1990年,NASA发射了首个牛哄哄的太空望远镜——哈勃。

哈勃太空望远镜重13吨,长度相当于一辆校车,其直径7.9英尺(2.4米)的主镜非常精确,足以将激光束投射到200英里外的一毛硬币之上,观察能力也非常强大,可以从波士顿看到东京的一对萤火虫(如果地球是平的)。哈勃望远镜位于地球上空340英里的轨道上,在那里没有任何大气或光污染,正如NASA所言,处于“终极顶峰”之上。这一切赋予了哈勃望远镜前所未有的宇宙视野,让它在最近25年内不断发回极其震撼的观测照片,这些照片带给人梦幻般的感觉。例如,这个壮丽的星系,或者,这两个正处于缓慢融合进程中的星系,或者这个无比巨大的“创造之柱”(Pillars of Creation)(左侧的柱子非常庞大,从顶端到底部的距离是四光年,也就是说,如果你坐飞机从下往上飞行,需要450万年才能到达顶端)。

或者在哈勃望远镜将主镜对准方框内的天空时(下图通过与月球的对比显示矩形的大小),似乎空无一物。

你将发现成千上万的星系,哈勃望远镜和其他太空望远镜观测到的图像展现了与我们在哪里、我们如何来到这里这两大问题有关的全新信息世界,从暗能量到宇宙的起源、年龄与大小,到与地球相似、可能也拥有生命的行星的数量,在各方面不断扩展着我们的认识。

40多年来,支持地球产业以及持续观察了解这两大目标始终是我们与太空关系的全部。

由于这两大目标都最适合用无人太空旅行器来完成,因此人类与太空的故事最近阶段的主角都是太空探测器,而人类的戏份都发生地球上或者离地球很近的地方,只是用操纵装置进行控制而已。

自阿波罗17号1972年返回地球以来,人类需要上太空的唯一原因就是,有时我们才需要送人上太空,完成机器无法胜任的某些任务。在进入过太空的550人之中,400多人都是在后太空竞赛时代进入太空。但自从阿波罗计划以来,上太空的原因都非常实际,科学家和技术人员上太空就是为了完成某些工作。因此,近40年来,每次载人航天任务都在紧贴地球薄薄的一圈太空——近地轨道中进行。

国际空间站

现在,每次载人航天任务的目标几乎都是到国际空间站(ISS)接送宇航员。

国际空间站是16个国家参与的合作项目,始于1998年,建设了十年。空间站在近地轨道底层环绕地球运行,高度在205到255英里(330到410公里)之间,约等于冰岛的宽度,空间站离地面如此之近,因此在夜晚用肉眼就能轻松看到。空间站比人们印象中要大,其重量相当于320辆汽车,长度相当于一个美式橄榄球场。

宇航员在国际空间站到底做些什么?蓝色部分

开始写这篇博文时,我发现自己并不真正了解设立国际空间站的目的或者宇航员在其中做些什么。每次我观看空间站内部状况的视频时,印象都是某个成年人漂在空中玩耍。

幸好还有国际空间站大会这样的东西,正巧上个月就在波士顿召开。于是我就去了。大会由美国空间科学发展中心(CASIS)主办,该机构负责管理美国在国际空间站中的工作。我在大会了解到以下几点。

国际空间站是一个科学实验室。它跟其他实验室没什么区别,只是飞翔在太空而已,因此它是一个可以在零重力状态下进行测试的实验室(实际上并非零重力,而是微重力,关于这一点,我将在本文稍后进行解释)。

大多数国际空间站实验都有一个共同点,那就是为了获得理想的重力条件,但除此之外,它们还有各种各样的目的,从了解表现为宇航员骨骼萎缩的骨质疏松症(因为他们不需要对抗重力),到测试设备如何承受太空环境,到分析流体在没有其他任何外力影响下的表现以及相互作用,到利用重力变化诱导细菌显现是哪些基因使其对特定药物免疫等等,不一而足。

国际空间站的宇航员一周的时间安排都非常紧张有序。总的说来,他们不是在睡觉(8.5小时)、吃饭(早餐/晚餐1.5小时,午餐1小时)、锻炼(强制规定每天2.5小时),就是在做实验(每天9小时),我拿到的这张照片就是目前国际空间站三位宇航员的时间安排表。周末会放假,但可能也不会太有趣,你只能一直飘来飘去,看着窗外。

并非只有我非常想去国际空间站玩,因此NASA挑选人员进入国际空间站的过程极具竞争性。成千上万人申请,只有100人入选最终面试和体检,而最后只有一两个人能获得通过。极少数情况下,私营企业或个人可以花钱进入空间站待上几天,但费用约为6000万美元。

如果你想更加了解在国际空间站生活的感觉,请观看一位飘浮宇航员的国际空间站导览视频

到目前为止,共有15个国家的216人上过国际空间站。

如何将东西送上太空

我们已经大致了解了太空中的情况,但是要如何才能让东西上太空?你是否问过自己,GPS卫星这样的东西最初是如何上天的?答案就是,共有九个国家具备将物体发送到轨道的能力。俄罗斯、美国、法国、日本、中国、印度、以色列、伊朗以及朝鲜,另外还有一个非国家性组织——欧洲航天局。如果一颗卫星能进入太空,那是因为有人付费给以上十大实体中的某个实体,让其在巨大、昂贵的火箭顶部携带卫星升空(或者因为国家为了自身用途而发射卫星上天)。

至于送人上太空,有史以来只有三个国家完成过——俄罗斯、美国以及中国(在太空领域发展迅猛的后起之秀)。自60年代以来,俄罗斯利用联盟号飞船将人送到太空,美国继1972年完成阿波罗计划之后,在1981年利用航天飞机计划恢复了送人进入轨道的能力。

接下来的30多年里,美国总共向近地轨道发射了135架航天飞机,其中成功了133次。两次意外事故是美国历史上非常惨痛的回忆——1986年的挑战者号以及2003年的哥伦比亚号

2011年航天飞机计划结束。现在,只有两个国家能将人送入轨道——俄罗斯和中国。由于自身没有能力,美国,这个曾经在全世界面前成功将人送上月球的国家,现在不得不看俄罗斯的脸色,利用俄罗斯的火箭送宇航员进入太空。

我们应该如何看待人类与太空的故事?这个故事有点奇怪。1970年,这个故事是这个样子,按照推测,故事应该这样发展。

但到了2015年,结果故事是这样发展的。

当我审视今天人类与太空的故事的发展状况,还是会觉得难以置信。仅在苏联发射首个人造物体进入轨道58年之后,我们现在就拥有了大量环绕地球运行的高科技设备,在观测和通信方面获得了神奇的能力。而且还有一系列探测器,它们的足迹遍布太阳系,不断向我们发回它们的发现。巨大的太空望远镜高悬在地球上空,向我们展示可观测宇宙的真实面貌。我们头顶250英里之上是一个橄榄球场大小的科学实验室,宇航员在里面工作。

我说的这一切都非常棒。

要是人类与太空的故事真是这个样子,那么我会对我们目前在宇宙大环境中的表现赞不绝口。

但不幸的是,60年代来了。因此后来它发展成了这样。

好的魔术表演应遵循一个简单的准则——渐入佳境。如果你无法调动审美疲劳度不断上升的观众,那么他们很快就会舍你而去。

在部分领域,人类与太空的故事这场魔术表演持续稳步升温。例如,在寻求知识与了解的过程中,我们不断超越自我,每隔十年,我们对宇宙的认识都得到了显著的加深。人类的探索精神经久不衰,并且自阿波罗计划以来,在太空领域日益发扬光大。

然而,虽然我们对探索很着迷,就像我们渴望了解《我们在哪里?》一书中隐藏的所有秘密一样,但对于获得真正的激励和鼓舞、激发肾上腺素而言,探索无法与冒险相提并论。探测器和望远镜可以让我们大开眼界,激发我们的好奇心,但是没有什么能像看到自己物种进入人类从未到达的领地一样触发我们的内在野性。在这个领域,过去四十年让我们感到空无一物。看惯了人类登月之后,后来穿梭国际空间站的载人航天任务,正如罗斯•安德森所说。“感觉就像看到哥伦布在家门口的地中海航行。”

正因为如此,在当今的世界,人类与太空的故事已经淡出了我们的关注焦点。这个本应让我们感动得五体投地的主题结果变成了枯燥的杂耍。如果你问10个自己认识的、受过良好教育的人,太阳系探测器、国际空间站、NASA或者SpaceX都在做些什么,大多数可能都无法告诉你多少东西。有些人甚至不知道人类上过太空。人们之所以不知道,是因为不关心。由于后来每况愈下的表现,人类与太空的故事让人感觉很失望。看看现在我们周围的世界,人们很容易根据直觉预测太空故事未来的发展将继续像今天这样得过且过。

许多人并不认为这是一件坏事。他们会问。“地球上的问题这么多,我们为什么还要花那么多钱把人送到遥远的太空?”马萨诸塞州议员巴尼•弗兰克三十年来都在美国预算决策方面扮演关键角色,对于宏伟的载人航天计划,他认为“充其量只是一种国家不宜涉入的奢侈行为”、“完全、彻头彻尾的金钱浪费”以及“纯属无用之功”。32自太空竞赛结束以来,NASA预算的大幅削减,这就说明弗兰克并不是唯一持这种看法的美国政治人物。

关于第一次评估,弗兰克非常理性,毕竟,面对医疗、国家安全、教育、贫穷等诸多问题,我们是否真的要为“冒险预算”腾出空间?因此,上图中人类与太空未来的发展趋势极有可能延续目前的方向。

最近几个月,我几乎不停地阅读、讨论和思考这个故事未来可能的发展状况,现在我对于未来的预测已经有了巨大改观。

我认为我们都在等待一个巨大的惊喜。

文章转自waitbutwhy

作者。Tim Urban

2015-09-24 00:45:27更新过
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