毛淑德

清華大學(xué)天體物理中心主任

我們中國(guó)人都聽過(guò)“杞人憂天”這個(gè)成語(yǔ)，它說(shuō)的是杞國(guó)有一個(gè)人擔(dān)憂天地會(huì)崩裂，擔(dān)憂到了廢寢忘食的程度。

這顯然是一個(gè)天文愛好者。

恰巧又有個(gè)人，對(duì)這位“天文愛好者”的憂慮也很擔(dān)憂，所以“因往曉之”，去勸導(dǎo)他：

“天不過(guò)是聚集的空氣，空氣無(wú)處不在，我們生活在這個(gè)氣里，一舉一動(dòng)、一呼一吸都在其中，何必去擔(dān)心它會(huì)不會(huì)塌下來(lái)呢？”

天文愛好者沒有馬上被說(shuō)服，反問道：“如果天真的是積氣的話，那日月星宿它不應(yīng)該掉下來(lái)嗎？”

去開導(dǎo)他的人說(shuō)：“問得好，日月星宿，只是這個(gè)積氣當(dāng)中會(huì)發(fā)光的東西，掉下來(lái)又怎么會(huì)中傷你呢？

這個(gè)人聽了之后，你可以看到他們的反應(yīng)，非常有意思——“其人舍然大喜，曉之者亦舍然大喜”，兩個(gè)人都完全地放下心了，自在了。

這個(gè)故事非常有趣，但是，如果恐龍還健在的話，它對(duì)這個(gè)理論大概是不會(huì)認(rèn)可的。事實(shí)上，小天體撞擊事件，在太陽(yáng)系的形成歷史上是非常多的。

我們現(xiàn)在已經(jīng)可以確認(rèn)，恐龍滅絕于大約6600萬(wàn)年前。當(dāng)時(shí)就是一顆小行星撞到了地球，落在了墨西哥灣，砸出了一個(gè)直徑180公里，洞深幾十公里的大坑，它引起的“核冬天”（nuclear winter）[注釋1]直接導(dǎo)致地球上，包括恐龍?jiān)趦?nèi)大概75%的動(dòng)植物滅亡。

隕石坑就是小天體撞擊事件最直接的證明。比如月球的正反面上就有很多隕石坑，這個(gè)圖是嫦娥三號(hào)探測(cè)器的“玉兔” 月球車降落的地方，叫Von Kármán Crater，馮卡門隕石坑。

地球上隕石坑的分布有一個(gè)非常有意思的特征，美國(guó)的隕石坑非常多，中國(guó)卻非常少，直到2007年左右，我們才發(fā)現(xiàn)中國(guó)境內(nèi)的第一個(gè)隕石坑。

為什么中國(guó)的隕石坑這么少呢？有一部分原因，可能是中國(guó)大陸的板塊運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，一些隕石坑在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中被磨滅了，但也可能是我們的科學(xué)家，包括我自己，對(duì)隕石坑的探索還不夠盡力。

人類要是不想重復(fù)恐龍的命運(yùn)，我們必須對(duì)天上的小天體的數(shù)目，還有它們的運(yùn)行軌道進(jìn)行非常精密的巡天測(cè)量，因此科學(xué)家們也要更努力。

美國(guó)NASA，還有他們的海軍，在這方面都有許多投入，比如卡特林那巡天系統(tǒng)（Catalina Sky Survey）[注釋2]，泛星計(jì)劃（Pan-STARRS）[注釋3]等等。

這個(gè)動(dòng)畫是NASA的近地天體廣角紅外巡天探測(cè)器（NEOWISE）至今發(fā)現(xiàn)的近地小天體。最靠里的那個(gè)圈是水星軌道，水星之外那個(gè)紫色的圈是金星，藍(lán)色是地球，黃色是火星，最外面那個(gè)圈是木星。其中大多數(shù)小天體都聚集在火星和木星的軌道之間。

最近20年內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的近地小天體數(shù)目非常多。直徑1公里以上的近地小天體，大概是1000顆；黃線是直徑超過(guò)140米的小天體數(shù)目，大概是8000多顆；藍(lán)線是所有近地小天體的數(shù)目，接近2萬(wàn)顆。我們地球就像在小天體的海洋里游泳一樣，所以說(shuō)，碰到小天體撞擊地球的情況是很正常的。

直徑10公里的小天體撞擊地球，是恐龍滅絕級(jí)別的事件，如果直徑超過(guò)100公里的話，整個(gè)人類都會(huì)被毀滅。令人欣慰的是，直徑超過(guò)1公里的小天體數(shù)目，在這20年內(nèi)基本上沒有什么變化，也就是說(shuō)，這么大的天體，天文學(xué)家基本上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了。

那么，我們是不是就不用擔(dān)心100米以下的小天體撞擊地球？

不是的。

2013年2月15號(hào)，一塊隕石以每秒20公里的速度劃過(guò)俄羅斯的天空，最后落到車?yán)镅刨e斯克州，在地上砸出大坑。據(jù)后來(lái)推測(cè)，這顆隕石的直徑約有20米，重量在10～30噸之間，破壞力相當(dāng)于廣島原子彈的30倍，對(duì)很多建筑物引起了巨大的破壞，上千人因此受傷，所以我們的巡天計(jì)劃還要不懈地努力。

那么，如果有一天，我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)有個(gè)小天體即將砸到地球上，我們應(yīng)該怎么做呢？

是不是要像電影《世界末日》（Armageddon）里面描寫的一樣，給布魯斯·威利斯打個(gè)電話，通知他的鉆井隊(duì)到小天體上去鉆井呢？[注釋4]

那是完全不可取的。

因?yàn)檫@是不可控的。鉆了井之后，很可能本來(lái)不會(huì)砸到我們的天體反而真的砸到了我們，造成了人類的毀滅。

那我們應(yīng)該怎么辦呢？

如果發(fā)現(xiàn)得早，我們可以發(fā)射一個(gè)小衛(wèi)星上去，“溫柔”地改變它的軌道，“失之毫厘，差之千里”就是這個(gè)原理，關(guān)鍵是要發(fā)現(xiàn)得早。

這個(gè)方案，也是巡天計(jì)劃的一部分。

除此之外，天文學(xué)家還憂其它什么天？

其實(shí)我們擔(dān)憂的東西很多，超新星爆發(fā)、伽馬射線暴爆發(fā)、太陽(yáng)還會(huì)不會(huì)從東邊出來(lái)……為什么我們要擔(dān)憂太陽(yáng)不會(huì)從東邊出來(lái)呢？

300年前，牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的時(shí)候已經(jīng)在深深擔(dān)憂這件事了。原因非常簡(jiǎn)單，如果說(shuō)只有一個(gè)太陽(yáng)和一個(gè)地球，數(shù)學(xué)上我們可以非常精準(zhǔn)地求解，發(fā)現(xiàn)它的軌道是一個(gè)橢圓，而且這個(gè)橢圓，數(shù)學(xué)上可以證明是非常穩(wěn)定的。

科學(xué)上，很多時(shí)候會(huì)在一個(gè)理想的、系統(tǒng)穩(wěn)定的假設(shè)前提之下去做研究。但問題是，牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的時(shí)候，他已經(jīng)知道有六大行星，并且它們彼此之間的運(yùn)動(dòng)軌道和周期都是不一樣，有時(shí)候幾個(gè)行星之間的距離可以很小，引力可以很大，加速度也可以很大，因此它們軌道的不穩(wěn)定性相對(duì)也比較大。所以他認(rèn)為太陽(yáng)系很可能是不穩(wěn)定的。

那怎么辦？他想不通，就覺得可能上帝的手非常友好，在太陽(yáng)系不穩(wěn)定，快要散架的時(shí)候，就來(lái)整理一下，讓太陽(yáng)系恢復(fù)穩(wěn)定。

有時(shí)候，我們對(duì)牛頓相信上帝感到難以理解，但其實(shí)也可能是他想得比我們深，看得比我們遠(yuǎn)，最后他不得不相信了上帝。

這個(gè)問題，困擾了300年來(lái)很多的數(shù)學(xué)家，包括拉普拉斯、高斯、拉格朗日，還有龐加萊。他們都對(duì)太陽(yáng)系的穩(wěn)定性做了很多的研究，最后是龐加萊得出了正確的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系的長(zhǎng)期演化是混沌的，意思就是說(shuō)以非常接近的初始條件開始，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，得到極為不同的結(jié)果。

比如說(shuō)這是數(shù)學(xué)上非常有名的洛倫茨吸引子（Lorenz attractor），你可以看到兩個(gè)垂直向上的錐形是這兩個(gè)系統(tǒng)的初始條件，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的非線性演化之后，兩個(gè)錐形的最終位置非常不一樣。

混沌現(xiàn)象最著名表述就是蝴蝶效應(yīng)，紐約的蝴蝶長(zhǎng)不長(zhǎng)翅膀，會(huì)影響北京有沒有風(fēng)，有沒有霧霾，對(duì)我們產(chǎn)生實(shí)在的影響，這個(gè)就是非線性系統(tǒng)非常重要的一個(gè)結(jié)果。

這張圖是計(jì)算機(jī)模擬的太陽(yáng)系演化過(guò)程。

混沌的太陽(yáng)系有八大行星和其它無(wú)數(shù)的小天體，左上面是初始條件，你可以看到圖中水星、金星、地球、火星的位置經(jīng)過(guò)三十三億年的演化之后，在誤差之內(nèi)可以有非常不同的結(jié)果。右上圖水星的軌道跟金星的軌道相交，右下金星的軌道和地球的軌道相交，最后如果真的相交了，會(huì)產(chǎn)生什么樣的結(jié)果？那應(yīng)該就是我們?nèi)祟愖詈蟮拿\(yùn)。

這個(gè)計(jì)算機(jī)模擬非常確定地告訴我們，太陽(yáng)系有1%的可能性會(huì)因?yàn)榛煦缍a(chǎn)生這種毀滅性的結(jié)果。這里我們還得感謝愛因斯坦，因?yàn)槿绻桥ｎD的經(jīng)典引力，那其實(shí)太陽(yáng)系毀滅的可能性是30%，這其實(shí)是非常高的，我想人類可能因此而產(chǎn)生很大的危機(jī)感。但由于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，這個(gè)可能性降到了1%。

當(dāng)然,這個(gè)可能性是幾十億年之后才會(huì)出現(xiàn)的，所以我們現(xiàn)在還不要需要馬上擔(dān)心。即便如此，另外考慮到太陽(yáng)會(huì)演化成為紅巨星（可能）會(huì)吞噬地球，所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，人類必須考慮星際旅行，這樣才能保證我們?nèi)祟愰L(zhǎng)期地生存下去。你可以看到，天文學(xué)家的擔(dān)憂有近有遠(yuǎn)，近可以關(guān)系到我們?nèi)祟愒诙唐谥畠?nèi)的生存，遠(yuǎn)可以關(guān)系到太陽(yáng)系長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

建議大家有機(jī)會(huì)去夏威夷的話，一定要在圣山之巔，用望遠(yuǎn)鏡看看我們的銀河系，非常壯觀，非常漂亮。

400年前，伽利略把他的小望遠(yuǎn)鏡，對(duì)準(zhǔn)了天空，引發(fā)了自然科學(xué)的一次根本性的革命，帶來(lái)我們現(xiàn)在所有的現(xiàn)代技術(shù)。現(xiàn)在天文學(xué)家能夠利用圣山上面的大望遠(yuǎn)鏡（TMT）看到宇宙的邊緣，讓我們理解宇宙的誕生和最后的命運(yùn)。

當(dāng)下很多人都在討論經(jīng)濟(jì)的不確定性，作為一個(gè)天文研究者，我想說(shuō)，一個(gè)民族，不僅要有人擔(dān)心國(guó)家的經(jīng)濟(jì)，也得有一部分人做杞人憂天的事情，胸懷宇宙，觀天之文。

只有把經(jīng)濟(jì)、文化、自然科學(xué)這些基礎(chǔ)學(xué)科綜合在一起，才能夠真正實(shí)現(xiàn)我們這個(gè)民族的偉大復(fù)興，使我們這個(gè)民族重新登上文明之巔。

注釋

1.核冬天（nuclear winter）：核冬天假說(shuō)是一個(gè)關(guān)于全球氣候變化的理論，它預(yù)測(cè)了一場(chǎng)大規(guī)模核戰(zhàn)爭(zhēng)可能產(chǎn)生的氣候?yàn)?zāi)難。核冬天理論認(rèn)為使用大量的核武器，特別是對(duì)像城市這樣的易燃目標(biāo)使用核武器，會(huì)讓大量的煙和煤煙進(jìn)入地球的大氣層，導(dǎo)致極端寒冷天氣。大規(guī)模的隕石撞擊或者火山爆發(fā)，也有可能造成類似核冬天的后果。

2.卡特林那巡天系統(tǒng)（Catalina Sky Survey）：是一個(gè)發(fā)現(xiàn)彗星和小行星，包括搜索可能對(duì)地球造成撞擊威脅的近地小行星的計(jì)劃。

3.泛星計(jì)劃（Pan-STARRS）：全稱為全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速反應(yīng)系統(tǒng)（Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System），是一個(gè)引導(dǎo)對(duì)全天天體進(jìn)行測(cè)量學(xué)和光度學(xué)的基礎(chǔ)研究的天文計(jì)劃。

4.《世界末日》（Armageddon）：1998年上映的科幻電影，演員布魯斯·威利斯飾演一名被NASA委以重任的鉆油井工頭，在18天內(nèi)，登陸即將撞擊地球的隕石表面，鉆洞貫穿至隕石的地心，放入核彈引爆，阻止撞擊事件的發(fā)生。

文字 | 漫倩；校對(duì) | 其奇

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