宏观世界——在太空探索中逐渐打开

宏观世界有多大？一直以来人们将“原子”作为宏观世界与微观世界的分界线。大约在公元前400年，古希腊哲学大师德谟克利特便提出原子论：宇宙万物由不可分割的原子构成。

人类认识宏观世界，是从小到大、由近及远、由现象到本质、由少到多、由地球探索到太空探索的过程。

在地球上看地球，与在月球上看地球，是两种视角，感受不同。

1961年4月12日，苏联宇航员加加林是第一个进入太空并看到地球全貌的人。

1969年7月21日，美国宇航员阿姆斯特朗踏上月球时，他说这是自己的一小步，却是人类的一大步。

2022年4月，神舟十三号三名中国航天员，从空间站出舱看地球，身临其境的航天员翟志刚说：“我顺着脚底往下一看，太深了，老远了，深不见底啊！我可得抓住啊……我一看飞船也是悬空的，地球也在天上悬着，无依无靠啊，我都怕地球从空中飘跑了……”我们看着他们拍摄的地球视频，蓝白相间的美景，分不清哪里是白云，哪里是海浪。

一直致力于将人类送上火星的太空探索技术公司SpaceX的首席执行官埃隆·马斯克，预测人类将在数年后登陆火星，那又将是什么样的感受呢？正是科学家用探索太空的方式，打开了人类认识宏观世界的门户。

地球是人类的摇篮，人类不会永远生活在摇篮里。我们所知文明意识的可能寿命，就像广袤黑暗中的一支细小蜡烛，用不了多久可能就会熄灭，比如遇到一颗巨大的流星，或遭遇极端的气候变化，或爆发第三次世界大战，都可能让文明终结。

飞离地球，探索宏观宇宙成为人们的伟大理想。太空探索承载着人们对日月星辰的好奇，以及对“我们来自何方”“我们为什么在地球”“我们是怎么到这里来的”“我们在宇宙中是否孤独”“我们该往何处去”等问题的终极思考。为了了解宇宙的本质，必须扩大意识范围和规模，走向星际。

进入太空是为了探索宏观世界，探索太空本身也是认识宏观世界的过程，是人类从自身感官能力上升到借助航天航空器、探测器以及载人航天器飞越太空的过程，也是借助射电望远镜、红外望远镜、X射线和伽马射线望远镜帮助人类观测极为遥远的未知宇宙空间的过程。

人类以航天器为主要手段，突破地球大气层和重力影响，利用全电磁波谱，拓展着引力波等多信使，研究宇宙的崭新窗口，仰观天文，俯察地理，纵览太空，探索宇宙。

空间科学为感知地球深空环境、破解全球变化挑战、珍爱宜居地球家园，提供了全新视角。在70多年探索和积累宏观世界的条件中，创造了两个辉煌的太空时代。

第一个太空时代，从1957年到20世纪末，有以下三个特点。

一是美苏争霸把航空航天事业推向高潮。苏联发射第一颗人造地球卫星，继而发射载人宇宙飞船，让人类首次飞向太空；美国“阿波罗”11号飞船登月，人类第一次踏上月球；苏联建造空间站，人类首次在太空有了活动基地；美国发射航天飞机，从此人类可以自由进出太空。

二是掀起探测月球的热潮，人类不断地向月球发射许多探测器。

三是航空航天具有高投入、高风险的特点。每项太空任务往往需要投入上亿甚至数十亿、上百亿美元。1971年苏联发生从空间站返回时的惨烈事故，三名宇航员遇难；1986年“挑战者号”航天飞机升空后不久爆炸，七名宇航员遇难；2003年2月1日美国“哥伦比亚号”航天飞机失事，七名宇航员遇难。

第二个太空时代，从21世纪初开启，有以下四个特点。

一是建造空间站。1998年国际空间站正式建站，2010年完成建造并全面使用，由美、俄、欧、日、加等国航天局共同运营，预计2024年退役。

2021年4月天和核心舱发射入轨，中国空间站拉开在轨建造序幕，同年6月航天员进入空间站核心舱，在轨驻留3个月，开展舱外维修维护、设备更换、科学应用载荷等一系列操作。2022年将完成空间站建造任务。其间神舟十三号、十四号载人飞船到达中国空间站，并且两批航天员各驻留半年进行科研。截至2022年11月3日，中国空间站“T”字构型组装完成，由天和核心舱和问天实验舱、梦天实验舱组成了“三室两厅”格局。

二是全球掀起空间探索热潮。美国、中国、日本、阿联酋以及欧洲国家发出探测器登陆火星、木星、彗星、小行星、月球开展探测，还将小行星、月球的样品带回地球。比如，中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士说，中国人很快就会踏上月球了，我们整个的月球探测的规划：第一步通过嫦娥一号、二号、三号、四号，全面和重点了解月球，包括到月球背面去；第二步建设月球科研站，实施载人登月探测，建设有人驻留的月球基地，开发利用月球资源。再比如，2022年9月27日，美国国家航空航天局航天器首次撞击小行星证明，人类或许有能力改变自己被毁灭的命运，因为大约6 600万年前，一颗小行星砸向地球，恐龙无法避免，最终走向灭绝。

全球探索空间，仅从2021年全球火箭发射情况，就能感受到探索热潮的汹涌程度。2021年发射145次，发射入轨航天器数1 732，入轨质量为769.6吨，创21世纪以来新高。其中，中美俄相对2020年均有较大涨幅，占据全球航天发射的绝大部分。

在太空探索的热潮中有许多精彩的故事，历经45年的“旅行者1号”仍然让人牵挂。1977年9月美国发射的“旅行者1号”，带着探索行星的伟大使命，遨游在浩瀚的宇宙。先用两年时间抵达“行星之王”木星，并对木星和木卫星进行了探测，后来看到土星环的壮观，发现了土卫六上的大气层，可能太专注于观察土卫六，从此飞向幽深的黑暗。它曾提供木星、土星及其卫星的详细照片，也是至今离地球最远的人造卫星。

科学家预计，现在“旅行者1号”仍有足够的能源支持星际飞行，并且可以和地球保持联络，但从2025年之后，“旅行者1号”就会失去能量，彻底和地球失去联系，并成为漂浮在宇宙中的一艘“流浪探测器”。

“旅行者1号”携带了一份记录着人类文明和模样的金唱片，在它以后漂泊的数亿年中，或许有一天人类走不出地球，消散于宇宙尘埃中，它可能会向宇宙送出这份珍贵的礼物，也能向这个无垠的宇宙证明人类曾经来过，也曾有过璀璨耀眼的文明，更在悠长无限的宇宙岁月中，努力留下了存在过的痕迹。

当然，“旅行者1号”要飞出太阳系还需1.7万年，这对于人类文明来说太漫长了。如果人类文明能够一直延续发展下去，以现在科技的发展速度，1.7万年的时间足以让人类科技发展到远超想象的地步。那个时候，人类有可能早已掌握了光速飞行技术，甚至是超光速飞行技术，有了如此快的速度，我们也不需要“旅行者1号”去探索系外行星和外星文明了。

当人类有了更快的速度之后，第一时间可能会派出飞船将“旅行者1号”接回，随着人类对宇宙的认知提升，不少科学家对“旅行者1号”充满担忧，因为它上面携带着地球的坐标信息，也有可能“旅行者1号”永远回不来。从太空上看去，地球就是一个蓝色小点，而许多人造卫星和探测器是从这个蓝色小点出发的，它们多么希望人类能珍惜地球，远离战争、暴力、污染，维护好人类的家园。

三是马斯克和SpaceX引人关注。近年来私人集团的太空探索和旅游开始活跃。马斯克及其SpaceX频频亮相：

1． SpaceX的黑科技降低了太空探索成本，可回收火箭并能多次使用，大大降低了成本；他们自己研发并即将使用的猛禽二代发动机单台推力达到230吨，结构更加紧凑和优化，成本比一代版本降低到一半左右；其星舰上的黑科技隔热罩，由特殊材料做成隔热瓦，隔热效果更好，成本比以前航天飞机时代大幅降低，后续还有待验证。

2． 2020年5月，SpaceX用它的“猎鹰9号”运载火箭成功发射其载人飞船“天龙2号”，把两名航天员送上太空，使美国结束了长达九年没有载人飞船可乘的尴尬局面，让SpaceX成为全球第一家拥有载人航天能力的私人机构。

3． 2022年4月9日，四人团队搭乘SpaceX的“奋进”号龙飞船到达国际空间站，开启太空旅行新纪元。2021年的全球航天，可以说商业太空飞行如火如荼，让一部分人先飞起来。维珍银河、蓝色起源和SpaceX公司都实施了首次以游客为主体的载人飞行任务，俄罗斯航天局也先后将两组非职业宇航员送入太空。

4． 马斯克希望在2029年能够实现载人登陆火星，2050年在火星建造城市，将100万人送上火星，引发了人们特别是年轻人强烈的太空探索热情。登陆火星更具挑战性，发射飞船到月球只需4天38万千米，若到火星需要580天2亿千米，宇航员来回需要3年时间，每人需要饮食3吨多。飞船空间是寸土寸金，还要携带大量燃料，宇航员需要一直在密闭空间生活，对心理素质极富挑战。

火星引力仅为地球的37.5%，在火星上只要轻轻一跳，就能跳两三米高。或许你会感到新奇，但是对于人类来说，如果在火星的低重力环境下长时间生存，那无疑会使人类的骨骼变得疏松，增加骨折的可能。

此外，火星的低重力环境还会对人体血液循环，以及心脏等器官带来一些影响。火星上的气压不到地球的1%，平均气温零下60摄氏度，表面无液态水，这些情况人体都需要适应。

如果采集土壤样本，不小心携带可能有的生命回到地球，则会引发难以预测的后果。

然而，登陆火星是与其他星球比较后的最优选择，马斯克的火星计划甚至可能有去无回，但仍有很多人想要参与，作为登陆火星的先驱，是伟大而悲壮的事业。但愿宇航员能够安全着陆火星，安全返回地球。

最近在网上看到对马斯克的一个访谈，他谈到2030年千舰齐发，星辰大海，去了解宇宙的本质。想必人们也关心有关他登陆火星的最新考虑和准备工作。马斯克说，他们正在生产大量的飞船和助推器，为了在火星建立一个自给自足的城市，他认为需要1 000艘左右的星舰，要让任何想去的人都能去成，并对星舰重复使用，作为一种通用的运输方法。一旦在火星上建立推进剂工厂，人们就可以前往小行星带，并最终去往太阳系的任何地方。访谈记者感叹，到2030年，每隔几年，大约有1 000艘星舰齐飞，每艘载有100名或更多乘客，那个画面将震撼心灵。马斯克说，就像《太空堡垒卡拉狄加》里面的舰队出发。

5．SpaceX“星链”互联网卫星如果全部建成，将多达数万颗，卫星数过多，将来报废可能会成为太空垃圾，颇受争议。

“嫦娥之父”叶培建院士说，Space X的成功具有里程碑意义，甚至有可能为第二个太空时代的到来铺平道路。这个时代的显著特点就是超低的成本，大量的运输。除了超低成本的火箭，还包括各种超低成本的中小卫星和航天器。

四是发挥大科学装置在深空探测研究中的作用。2019年，美国的哈勃太空望远镜公布了最新的宇宙照片“哈勃遗产场”（HLF），展现了一部壮丽的宇宙星系演化史。

2016年，中国建造的500米口径球面射电望远镜（FAST）是目前世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，接收面积达25万平方米，已发现超过240颗脉冲星，在快速射电暴的研究中取得重要成果。这个“中国天眼”发现了迄今宇宙最大原子气体结构，尺度比银河系大20倍。

还有一批性能更先进的大科学装置正在加快建设。如，多国在建的平方千米阵列射电望远镜（SKA），由位于澳大利亚西部的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成，接收面积约1平方千米，这是人类有史以来建造的最大天文装置。繁荣的太空时代，创造和发射载人飞船或无人的空间探测器，目的在于揭示宇宙形成与演化的奥秘。

探索天体运行、星系演化、宇宙起源，是认识宏观世界的重要途径。人们把大量分子、原子和光子组成的物体称作宏观物体，如牛顿力学描述的质点、电磁场或光等。

长期以来，人类对宏观世界的探索，聚焦于“两暗一黑三起源”：“两暗”指暗物质、暗能量；“一黑”指黑洞；“三起源”指宇宙起源、天体起源、宇宙生命的起源。

一是暗物质和暗能量是21世纪两朵新“乌云”。20世纪20年代的研究表明宇宙在膨胀和加速膨胀，原因是在可观测的物质之外，存在暗物质和暗能量。宇宙中可见物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。暗物质不发光，不发出电磁波。

探测暗物质有三种方式。

第一种是对撞机探测，如欧洲的大型强子对撞机。

第二种是地下进行直接探测，我国在四川锦屏山地下实验室开展了相关实验。

第三种是间接探测，主要在外层空间收集和分析高能宇宙射线粒子和伽马射线光子，寻找暗物质存在的证据。

2015年中国发射的“悟空号”暗物质粒子探测卫星，搭载国际上最高分辨率、最低本底的空间高能粒子望远镜，获得精度最高的电子宇宙射线探测结果，发现能谱上存在一处新的结构可能与暗物质有关。2020年中国参与的最大规模的星系巡天项目，成功测量宇宙背景膨胀及结构增长率，这是依托星系巡天得到的最强暗能量观测证据。

二是黑洞研究打开宇宙和天体起源的新视野。黑洞给人神秘的感觉。其实它是密度极大、体积极小的天体，具有强大引力，连光都无法逃脱。1964年科学家发现第一个恒星级黑洞后，又发现更多的黑洞。2015年发现距地球128亿光年、质量为太阳120亿倍的超大质量黑洞。

2019年4月，全球八地的观测网络，经过两年观测和分析，同步直播距地球5 500万光年、质量为太阳65亿倍黑洞的照片，让人们首次看到黑洞“面貌”。2019年11月中国依托郭守敬望远镜（LAMOST），发现了一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞。

黑洞研究有利于认识宇宙演化。国际上很多重要的天文设施，都把探测黑洞作为重要任务。2020年的诺贝尔物理学奖颁发给了致力于黑洞研究的科学家。

目前，中国在2021年前后发射了具有高灵敏度加大视场特性的“爱因斯坦探针”卫星，就是为了探索黑洞等致密天体。中国实施“黑洞探针”“天体号脉”等探测计划，将有力推动对黑洞的深入研究。

三是探索和揭示“三起源”的奥秘。科学家一直试图以高能粒子、宇宙射线等方式探究宇宙起源和演化。

1916年爱因斯坦预言引力波的存在，直到2015年才探测到引力波信号，开启引力波天文时代，为研究宇宙起源与演化开辟了新途径。

随着用激光干涉仪聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器等项目的推出，以及三位科学家因引力波研究获得2017年诺贝尔物理学奖，全球兴起引力波探测热潮。

2020年发现的中等质量黑洞，就是借助引力波探测取得的成果。中国近年来启动的“太极计划”“天琴计划”，就是建设原初引力波观测站，2021年给出了北天最精确的宇宙微波背景辐射极化天图。