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探月有什么用?  

本文作者:小龙哈勃

探月史上、也是历史上最著名的照片之一:“地球升起”,阿波罗8号乘组于1968年12月24日摄于月球轨道

探月史上、也是历史上最著名的照片之一:“地球升起”,阿波罗8号乘组于1968年12月24日摄于月球轨道

原文发表于 叶儿山博客

随着“嫦娥三号”成功着陆,这么一个问题又被人们热议:“探月有什么用?”

作为一名拿这个领域当饭碗的科研工作者,我一直觉得这是个极好的“开题报告”式的问题,无论是开一篇博士论文的题还是开一场公众报告的题。对于大多数科学家们来说,是社会的支持让他们得以站在人类认知领域的最前沿,因此他们有责任也有义务向公众解释自己研究的意义和价值。我记得第一次和导师见面,他反复提到一句话:“对科学家来说,没有问题是幼稚问题。”我觉得,这一观点,无论是对自己专业内的问题,还是对“旁观者”提出的问题,都是适用的。“探月有什么用?”“登陆火星有什么用?”“观察遥远的星系有什么用?”科学家们向公众展示自己的结果,公众当然完全有权提出这样的问题,而且要求一个可以被他们所理解的答案。

尝试回答这类问题的好文章不少。NASA科学副总监施图灵格曾特别撰文《为什么要探索宇宙》;国际天文联合会的网站也有一篇文章,《天文学为什么重要》,这两篇文章都从方法论上尝试对这一问题进行回答。但有一些挑剔的网友并不买帐,认为罗列“人类精神”和“长线布局”的好处,对至少一部分个体来说,看不见摸不着,难以衡量产出效果。我能理解他们——在科研圈里有一句话:“人们不看你说什么,只看你做什么。”于是我想,这一次,不妨用已经实实在在地落在你我手中的技术,来回答“有什么用”系列问题吧。

我先从我们离不开的电脑和手机说起。大家一定知道,从你我的电脑,到手机,到数字化微波炉,到我们身边稍微复杂一点的任何电子产品,有一样东西无数不在,它叫“集成电路”(严格来说,我们现在使用的应该叫微电路,是由集成电路发展而来的)。集成电路是1958年发明的,但能让它得以迅速普及并进一步改良的,却离不开60年代的一个重大航天工程:阿波罗计划。50年代的计算机均是庞然大物,但宇航员们需要计算机来协助控制飞船。由于飞船载荷的严格限制,机载计算机必须小巧可靠,因此德州仪器公司开发了更轻巧的集成电路供NASA使用。阿波罗飞船上搭载的阿波罗引导计算机(Apollo Guidance Computer, AGC)是第一批采用集成电路的计算机。集成电路的价格在1962年到1968年间下降了25倍,很大程度上就是因为阿波罗计划的大量需求。

说完集成电路,再说说大家离不开的另一样东西:无线网络。无线局域网(WLAN,粗略来说Wi-Fi和它是一回事)的标准是1997年发布的,但其核心技术之一却是由天文学家在1977年提出的。由于电磁波性质的限制,射电望远镜的清晰度要比光学望远镜的差得多。比如,对于同等口径的望远镜,射电望远镜的解析能力要比光学望远镜差百万倍这个量级。尽管射电天文学家们不断制造更大的望远镜,但毕竟口径的提升是受到工程能力和环境的限制的,因此他们不得不寻找其他方法。1977年,以荷兰天文学家哈梅克(J. Hamaker)为首的小组发明了一种方法,可以利用干涉技术优化射电数据。后来,工程师们发现,这一技术可以大大提高无线网络的可靠性和加快传输速度。如今我们所用的无线局域网的标准(IEEE 802.11),其一部分核心专利就是这一原本用于射电天文学的技术。

这年头,数码相机和可拍照手机已经变得十分常见,它们的影像传感器大多使用CCD。CCD即感光耦合元件(Charge-coupled Device),发明于1969年。首先用上CCD的,除了军方以外,还有天文学家,因为CCD的量子效率(即将光子转换为信号的效率)远胜于传统底片,加上CCD可以实时读出图像而无需经过繁琐的化学处理过程,天文学家们在70年代末期就开始将许多望远镜上的照相底片替换为灵敏度更高的CCD。在80年代,来自天文学家的需求一定程度上刺激了工程师们不断设计和制造更大、更灵敏也更稳定的CCD芯片。到了90年代中后期,装备CCD的家用数码相机开始变得流行,如今使用传统底片的相机已经几乎从市场上绝迹。从某种角度来说,天文学家们“不经意间”协助促成了家用数码相机的普及。

在CCD刚刚发明的年代,除了天文学家们还在用现在看起来老掉牙的照相底片外,还有另外一件事情看起来也很“老掉牙”:坐飞机几乎和坐公交一样简单,无需证件,无需安检(只有0.5%的人需要搜查),买票直接上飞机。但在70年代初,随着劫机和恐怖活动的愈加频繁,登机手续开始逐渐变得严格。1972年12月,美国联邦航空管理局要求各航空公司在一个月内实现对乘客行李的全面搜查。这时,派上用场的是刚刚应用不久的X射线光电成像技术,这可以让工作人员实时“透视”乘客的行李,而这一技术最初主要是为了美国第一颗X射线天文卫星——1970年发射的“乌呼鲁”——研发的。更后来,搜寻炸弹和毒品的气相色谱质谱仪也被广泛装备在大、中型民航机场。第一台实际使用的气相色谱质谱仪是1968年制造的,但这类仪器能在如今变得如此便携、高效和可靠,离不开70年代“海盗”系列项目的强力推动——两艘“海盗”号飞船是人类第一批成功软着陆火星表面并开展探测的无人飞船,工程师们制造出了轻巧的气相色谱质谱仪安装在飞船着陆器上,以便科学家们能更深入地研究火星表面的环境,确定其是否具备生命存活的条件。

以上,我只是列举了几个和普通人关系最密切的例子。实际上,类似的例子实在不胜枚举,我还可以继续简单地往下说——比如,天文学家们测定恒星温度的技术,被用来研制非接触式体温测量仪,并在“非典”时期大派用场;用于研制“海盗”号着陆器降落伞的材料,经改良后用于制造性能更好、寿命更长的汽车轮胎;装备在载人飞船返回舱上的隔热材料,被用来改善防火门的性能;用于空间站的某种薄膜,被用于制作防划痕的太阳眼镜,而另一种用于过滤宇航员生活用水的过滤器,则被广泛用于过滤家庭用水;用于分配哈勃太空望远镜观测时间的软件,经改良后用于医院的病历管理;用于在海量天文数据中自动检测星系的算法,现在被用来协助进行某些医学检查。至于在其他专业领域——尤其是医学领域——进一步施展拳脚的技术,则更是多得数不完:太空毯、核磁共振技术、飞机除冰、污染物检测及防控、建筑物探伤、探矿、净室、生物制药、生物及医学影像处理及增强,肿瘤探测和治疗……

前人栽树,后人乘凉。撇开那些深奥的哲学命题不谈,某种意义上来说,如果不是这些前辈们探索中获得的“副产品”,我们或许还要等上几十年或者更长时间才能用上ThinkPad Carbon和iPhone呢。当然或许有人会说,那我们如果当初定向研究集成电路和无线增强技术,那不一样也会得到笔记本电脑和手机么。然而,科学发现从来就不尽然是“种瓜得瓜”的过程,更经常的是“种瓜得豆”。无数的历史故事告诉我们:科学大发现往往不是定向研究能做出来的。对宇宙的探索更是要求前所未有的高精度和高可靠性,需要许多领域、甚至不同国度的科学家和工程师通力协作才能完成。但科学和赌博有点像:风险越大,收获越多。不入虎穴,焉得虎子。《阿甘正传》里有句很经典的台词:“生活就像一盒巧克力,你永远不知道你会拿到哪一颗。”正是这种“漫无目标”但却“寻根究底”的好奇心,让我们在50万年内从点燃第一堆篝火到现在人人能揣着智能手机到处自拍。我们感谢先辈们孜孜不倦的探索;而我们的子孙也终将感谢我们。从这个角度来看,大刘那句话——“航天是生命本能,不需要问有什么用”——是不是就变得可以理解了呢?

“卡西尼”号探测器在土星附近拍摄的地球(中右处的蓝色亮点),摄于2013年7月19日

“卡西尼”号探测器在土星附近拍摄的地球(中右处的蓝色亮点),摄于2013年7月19日

致谢

感谢 @广林星云 和 @Steed的围脖 的审读和意见。

参考资料

Fein (2009), From cell phones to computers, technology from NASA's space program continues to touch everyday life.

Gardiner (2013), Off With Your Shoes: A Brief History of Airport Security.

Ginzberg (1976), Economic impact of large public programs: the NASA Experience. Olympus Publishing Company.

Hamaker et al. (1977), Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry, J. Opt. Soc. Am. 67, 1122.

NASA (1976). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

NASA (1991). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

NASA (2000). Spinoff. Washington, DC: U.S. Government Printing Office.

National Research Council (2010), New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics. Washington, DC: The National Academies Press.

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