20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科 宇宙,太阳系,学科

  来源:SELF格致论道讲坛

  “如果今天我们也能迈出一小步,把中国的行星科学教育建设起来,让每一个小小的太空梦都能得到实现,那么明天,我们就有可能实现我们的中国梦。”

  我来自中国科学院大学地球与行星科学学院,所以今天由我跟大家来分享行星科学,是很自然的事。可是为什么我还会讲到教育和教育的未来呢?这要从今年4月份我去参加中国航天日的活动说起。

  今年4月份,湖南省举行了中国航天日的主题活动,在活动现场我遇到了几位做航天教育的朋友,他们给我讲了一些故事,我们从吃完晚饭一直聊到夜里两点都还不想结束。

  到底是什么事能让我们一见如故,让我们第一次见面就聊这么长时间呢?我们聊的是一些有关航天教育的故事。

  钻研行星科学让学生更爱学习

  北京市八一学校,这个学校很厉害,一个中学居然自己发射了一颗卫星。通过制作卫星和发射卫星,不仅锻炼了同学们的学习动手能力,卫星团队的核心成员还被清华大学、北京理工大学等高校录取了。

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  北京市平谷中学有一整套的航天课程教育体系,同学们都取得了非常好的成绩。

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  太原市进山中学有一个航天实验班,第一届班主任高敏老师说,航天带给大家更多是的自信和动力。

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  石家庄鹿泉一中有一个荣臻实验班,这个班有两位同学特别突出,一位男生叫赵硕,通过参加航天实验班,他的成绩从年级百名提高到了年级第六名。

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  还有一位佟冬胜同学,她是一位女生,她的物理成绩也从不及格提到了满分。她的故事特别令我感动,当问及她是怎么做到的时候,她说以前觉得物理特别没意思,很枯燥,但通过航天实验班的学习,她觉得物理很有用、很有意思,她就主动去学,所以最后取得了很好的成绩。

  安徽庐江二中也有一个航天实验班,这个班刚开始进校的平均分只比另两个重点班高4分,但一个学期之后,居然高出了40分。

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  这样的故事还有很多。听完之后我就很好奇,我问这几个朋友,你们做航天教育的初心是什么?是不是要帮同学们提高成绩?他们说,不是。他们做航天教育的目的是要探索太空,是要给孩子们一个太空梦,让他们长大以后能够去探索太空。

  我就又问,发射一颗卫星算不算探索太空呢?他们说,那怎么能不算呢?

  我说,探索太空应该以获取知识为主要目的,如果只是把卫星发上去而不考虑有没有获得知识,那么这个探索到底算不算完成了呢?如果没有完成,那么接下去孩子们的太空梦到哪里去实现?谁帮他们实现呢?

  对于我的疑问,他们没有给出答案。

  回到北京后,我仍然一直在思考,到底怎样帮孩子们实现太空梦,他们有没有可能实现太空梦。

  行星科学研究和探索什么?

  要想实现太空梦,首先得知道什么是探索太空,探索太空是什么样的感觉。我们先通过这张图来感受一下。

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  这是太阳系的八大行星图。最左边最大的是太阳,右边依次是水星、金星、地球和火星,这四颗离太阳最近,是岩石星球。后面四颗是木星、土星、天王星、海王星,这四颗是气态行星,比地球要大得多。当然,还有很多彗星和小行星。

  我们想象一下,如果我们坐着航天器或者宇宙飞船从地球出发,向太空去探索,当我们回望地球的时候,是一个什么样的感觉?地球是什么样子的呢?

  从300千米外的空间站看地球,它是这个样子的:

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第7张图片-天网之家空间站,300公里

  从38万千米外的月球看地球,它是这样子的:

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第8张图片-天网之家阿波罗11号1969年拍摄于月球,38万公里

  如果我们到了火星,从7000万千米外看地球,它是这样子的:

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第9张图片-天网之家好奇号2012年拍摄于火星,7000万公里

  地球在哪里呢?图中有三颗很亮的星,最下方最亮的就是地球。

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第10张图片-天网之家信使号2010年拍摄于水星,18300万公里

  我们从1.8亿千米外的水星去看地球,如果照相机像素足够好,我们还可以分得清哪个是地球,哪个是月球。

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第11张图片-天网之家卡西尼号2013年拍摄于土星,144000万公里

  而如果从14.4亿千米外的土星去看地球,地球只不过是一颗普通的亮点,一颗普通的星。

20多位院士都支持:中国必须建设"行星科学"一级学科-第12张图片-天网之家旅行者1号1990年拍摄于冥王星轨道外,600000万公里

  这张照片是1990年“旅行者”1号拍摄于冥王星的轨道之外的,它距离地球是60亿千米。超过29岁的朋友,这张照片是你们看到的有史以来太阳系最远的一张远景照。29岁以下的朋友,这是你们出生之前太阳系的全家福。请大家记住这张照片。

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  太阳系已经如此浩瀚了,但宇宙中还有数不清的像太阳系一样的星系。我们要想探测太阳系、探测银河系、探测整个宇宙,我们应该做什么呢?

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  毫无疑问,太空探索非常依赖飞行器。截止到目前,人类已经进行了200多次太空探测,主要由美国和前苏联完成。

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  图中的每一条线都代表一次探测。在这200多次探测中,我们探测最多的是月球,有80多次,其次是金星和火星。太阳系的每一颗行星我们都探测过,当然,最感兴趣的还是火星。

  截止到今天,我们仍然没有放弃在火星上寻找生命的希望,尽管目前还没有找到。

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  画在火星上的这些叫着陆器或者火星车,大概有6个。画在火星周围一圈的是轨道器,是在天上飞的。

  2020年,中国将会进行首次火星探测,连同火星卫星一起发射的,还包括一个轨道器和一个着陆器。

  探测行星、探测太空,需要强大的综合国力做支撑,从来没有一个行星探测任务是由个人或者一个科学家团体就能做到的,都需要集全国之力才能做到。

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  这张照片记录了“阿波罗”计划中的一位美国宇航员在月球表面开着月球车采集样品的过程,这位宇航员在月球表面采集了具有关键科学价值的信息,并且将这些信息安全无恙地带回地球,这一点目前只有美国能做到,中国计划要在十年之后才能做到。

  探索太空需要基于丰富经验的联想。这两张照片拍摄的分别是地球和火星的表面。

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  你肯定想象不到,左边这张居然是火星的。火星上有那么多的鹅卵石,如同地球上一样,它们被磨得那么圆,这说明火星上曾经有河流,只不过这些河流在38亿前就已经消失了,而鹅卵石一直保留到了今天。

  我们也正是要通过对比不同的行星,去找到太阳系中一个共同的规律。

  探索太空还要有丰富的综合知识和想象力。水星、金星、地球和火星的内部我们是不可能进去的,哪怕是地球内部,我们也进不去,目前我们打的最深的深钻不过十几千米深,相对于地球的半径——6371千米来讲,只是个皮毛。

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  不过,虽然我们进不到行星的内部,但我们仍然有能力知道它内部的结构是怎么样的,仍然能够探索看不见、摸不着的东西。

  我们还要追寻太阳系的起源与演化。

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  这张照片是一张真实的照片,它展示了我们在仰望星空的时候,银河系的边缘有一个正在形成的恒星行星系统,可以把它看成另一个正在形成的“太阳系”,它代表了我们太阳系早期形成的过程。

  你可以看到这些黑色的圈,黑色的环状的东西,这说明有一颗行星正在形成,环内的物质用来聚集成行星,所以它呈现出一个空缺的状态,呈现出黑色。在太阳系诞生之前,我们的太阳系也是同样的状况。

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  我们通过追寻太阳系的起源和演化,可以推知整个宇宙的历史和规律。当然我们还怀着一个最终的哲学终级目标——追寻生命的起源和演化。我们要解答“人类从何处来,向何处去”这样一个终极问题。

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  所以,探索行星的过去、现在和未来,这样的太空探索就是行星科学。

  行星科学让我们日常生活更美好

  行星科学是不是像我们听起来那样的“高大上”呢?它跟我们的日常生活是不是一点儿关系都没有呢?

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  其实,行星科学跟我们的关系非常密切,举几个例子大家来感受一下。

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  现在人人都有的手机从何而来?其实,手机最初是给宇航员作为通信工具用的。

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  手机上的摄像头,最初也是为了放在太空船上拍摄天文照片用的。

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  现在很多人家里都不再使用钨丝灯泡,而是使用LED照明设备了。LED照明设备也是太空探索所诞生的一个产物。最初只有红光二极管和黄光二极管,没有能形成白光的蓝光二极管。

  一直到1994年,蓝光二极管才被发明出来,相关发现还获得了2014年的诺贝尔物理学奖。得益于蓝光二极管,我们现在才有了诸多LED照明设备。

  还有配方奶粉,大家一定奇怪,为什么配方奶粉要分成一段、二段、三段?为什么奶粉中还有DHA、ARA这么一堆听起来莫名其妙的东西。

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  其实,配方奶粉的出现也得益于深空探测。为了让宇航员能获得均衡的营养,通过对母乳的分析,我们发现DHA只有人类母乳里才有,其他任何动物和奶制品都是没有的。

  冷冻干燥食品也是太空探索的产物之一。宇航员常常会抱怨食物特别难吃,为了保持食物的口感,而又让其中的水分干燥掉,科学家就发明了冷冻干燥技术。

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  这项技术能让食物从上百度的高温迅速降到零下几十度,让其中的水分升华。冷冻干燥技术现在运用得非常广泛,顶级的速溶咖啡都是用这项技术来生产的。

  在北京,几乎家家都有空气净化器和饮用水过滤器,这两样东西也来自于太空探索。

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  在太空舱的密闭环境里,由于没有资源来源,所以无论是空气还是水,都是要循环使用的,这样才有了空气净化器和净水器这两项发明。

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  另外,3D打印、虚拟现实、云计算、记忆枕头、假肢、太空被、尿不湿……这些你想得到想不到的,其实最初都是为了宇航员而发明的。

  所以如果你觉得有一个东西特别奇怪,你不知道人类为什么会有这种发明需求时,十有八九它就是太空探索产品的转化。

  这样的产品转化,美国国家航空航天局(NASA)进行了数千项。NASA有一个专门的网站,网站的统计结果表明,美国每投入1美元进行深空探测,就能产生7美元的经济效益。

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  从2007年成功发射嫦娥一号,到2019年成功发射嫦娥四号,中国在这方面也探索了十多年,那么我们有没有产生什么产品转化呢?

  也有,比如嫦娥三号的温控技术。由于月球的昼夜温差超过几百摄氏度,所以嫦娥三号对温控的要求特别高,现在这项技术已经运用到了北京的郭公庄地铁站。

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  坐地铁9号线的朋友,你们路过郭公庄的时候,或许并不知道,这一站所采用的空调技术就来自嫦娥三号的温控技术。

  建立系统的行星科学教育体系

  太空梦如此重要,它给我们带来了知识,它给我们的生活带来了非常重大的改变,我们生活中的方方面面都跟太空探索产生紧密的联系。那怎样才能实现太空梦呢?

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  首先,具有太空梦的中小学生要有一个地方能接受系统的教育,这个地方显然就是大学,大学里必须要有专门的院系开设专门的课程来进行行星科学教育。

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  这张表列举了美国的一些知名大学,比如哈佛大学、麻省理工大学、约翰霍普金斯大学,它们都有相应的地球与行星科学系,每一个系都开设了非常丰富的行星科学课程。

  另外,进行太空探索并不总是那么轻松愉快的,时常会遇到很多困难和问题,就必须有导师和同学来帮助你共同解决。

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  还必须要有能参与科学实验的实验室。

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  也就是说,必须要有老师,有学生,有科研,有教育,只有这四条都具备了,我们才能说这所大学是具备了系统的、能进行行星科学教育的大学。

  那么,对于拥有太空梦的中国中小学生而言,他们要上中国的哪所大学才能实现自己的太空梦呢?

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  对不起。中国还没有这样的大学,以上列举的都是别国的大学,中国目前能开展行星科学教育的大学,一所都没有。

  如此说来,我们的太空梦就没有地方可以实现了吗?很显然,我今天来到这个讲台不是向大家报告坏消息的,我肯定要报告好消息的,好消息是——我们已经在行动了。

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  我们是怎么做的呢?大家先看这张图,这是中国的理学学科目录设置,左边一栏有数学、物理学、化学等,这一栏叫一级学科,右边这一栏叫二级学科。

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  中国所有开设有理学学院、理学课程、理学教育的大学全部是按照这个目录来设置院系的,因为这是国家认可的,不按这个目录来设置的话,就没办法给学生们授予学位。

  但是在这个目录里,我们找不到行星科学。我们有12个一级学科,但是没有行星科学这一学科。所以我们的目标就是要建设第13个一级学科,它将与数学、物理、化学并列,成为中国第13个一级学科,它就是行星科学。

  2018年12月4日,我们举行了一次建设方案的论证会,这次论证会由中国科学院大学、北京大学、中国科技大学等13家高校代表和7家中科院院内的研究所共同参与,现场25位评委全票支持行星科学的建设方案。

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  紧接着,2019年1月6日,在嫦娥四号登陆月球背面仅两天后,我们就在中国科学院大学进行了行星科学一级学科建设方案的评审会,当时的评委专家包括中国科学院院长白春礼院士和中国科学院大学的校长李树森院士等20多位院士。

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  大家一致认为,中国必须要建设行星科学这样的一级学科。

  2019年7月2日,我们宣布成立中国高校行星科学联盟。当时共由27家单位发起,包括中国科学院大学、北京大学、清华大学、南京大学、浙江大学等。参加联盟成立大会的还有10位院士、50多位校长院长,还有教育部、科技部和国家航天局的相关负责领导。

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  大家一致对联盟的未来,对联盟推动中国行星科学一级学科的建设,抱有非常大的信心。

  联盟成立的第二天,我们就刷屏了。大家说这是宇宙最强高校联盟,是专门研究行星科学的。在联盟成立大会的第二天,就有3家“211高校”要求加盟,第三天还有一家要求加盟。

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  所以,现在联盟高校的数量从27家增加到了31家,还有更多的学校也在申请加盟中。大家共同来推动中国的行星科学一级学科的建设。

  建设中国第13个一级学科——行星科学,建设从小学到中学到大学的一整套行星科学教育体系,这是我们这个时代应该尽快完成的一个任务。

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  我们要让每一个太空梦都能实现。

  太空梦是谁的?

  回到最开始的问题:太空梦是谁的。

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  很显然,一开始我就讲到了八一中学,讲到了很多中小学生,所以太空梦肯定是这些怀有太空梦的中小学生的。但仅仅只是中小学生的太空梦吗?

  这是2019年1月12日,嫦娥四号成功登陆月球背面之后,中共中央发来的一封贺电,贺电里写道:“探索浩瀚宇宙、和平利用太空,是全人类的共同梦想。”

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  这说明,太空梦不仅是中小学生的,还是我们全人类的。为了全人类的共同梦想,我们中国人也在贡献自己的力量。

  嫦娥四号实现了人造航天器首次登陆月球背面,这个连美国和前苏联都没实现的伟大壮举,由我们中国人完成了。

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  这还不够。2020年,我们将会实施中国首次火星探测任务。这次探测还将同时发射一个巡视器和一个轨道器,天上、地下同时联测,这也是人类从来没有做过的,而我们中国人即将完成这一任务。

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  2020年我们发射的火星探测器将于2021年达到火星。同时,我们在未来十年还规划了第二次火星探测——火星采样返回,我们要把火星上的石头带回到地球上。

  我们还要探测木星、小行星、彗星,还要发射嫦娥的五号、六号、七号和八号,还要建设月球科研站……

  我们有一大堆的规划,我们需要千千万万有太空梦的青年人加入到行星科学的队伍中来,国家需要这么多的行星科学家,可惜目前我们还没有系统的行星科学教育体系,还没有这样的培养体制。

  听说我今天要来格致论道讲坛做演讲,中国科学院大学地球与行星科学学院的万卫星院士(中国首次火星探测的首席科学家,全国人大常委)非常高兴,他托我给大家带几句话,他说:“深空探测看当代,行星科学靠未来。”

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  没错,行星科学的未来,靠的就是教育

  今天是2019年7月20日,50年前的今天,1969年7月20日,人类首次登陆月球,在另外一个星球上留下了人类的脚印。

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  留下这个脚印的是美国宇航员阿姆斯特朗,他当时说过一句非常著名的话——这是我个人的一小步,但却是人类的一大步。

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  如果今天我们也能迈出一小步,把中国的行星科学教育建设起来,让每一个小小的太空梦都能得到实现,那么明天,我们就有可能实现我们的中国梦。

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