路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索 ---- 記李杰信博士的《火星，我来了》講座
李杰信博士
火星，一直是人类关注的星球，在人类历史上留下了深刻的印记。近年来随着NASA 发表了人类重新登月计划及其后的把人类送上火星的远景规划，还有Elon Musk移民火星之设想的热传，人们对火星的兴趣更为高涨。半杯清茶社有幸邀请到著名的太空科学家及科普作家李杰信博士于2022年7月16日举办了”火星，我来了”的网上讲座，为人们普及有关火星的知识。讲座由半杯清茶社会员何华主持。
李杰信博士在太空科学领域里工作了四十多年。调任华盛顿NASA总部后，负责管理太空科学飞行实验任务。他拥有9项美国专利、发表过90多篇科学及科技管理论文和10多本科普著作。NASA总部给李杰信的退休赠言：感谢40年来对NASA科研上的领导和广泛的贡献。他在太空科学领域研究和NASA管理层的经验，给了他广阔的视野和独特的视角。例如他能够指出地缘政治和经济形势对火星探索方向的影响。在这次讲座中，李博士通过对八个主题的讲述为听众科普了有关火星的知识，往返火星的最新技术，人类对火星生命的执着探索，中国的天问一号的任务，及NASA对未来火星探索的构想。
（一）中国古代的宇宙学
屈原之《天问》中有170多问，李博士从中选出如下几问来为听众指出中国宇宙学的初始。
“天何所沓? 十二焉分? 列星安陳? 自明及晦，所行几里?” (天与地会合在什么地方？一年十二个月应如何分？天上的星星应如何排列？太阳或月亮由明到暗行了多少里？）
富有深厚历史知识底蕴的李博士认为中国古代的宇宙学是用来为皇权服务的，表现为盛行二千多年的占星术。地球上观察者看到的火星（名为荧惑）逆行的现象被称为“荧惑守心”，乃大凶之兆。历朝历代的帝王都非常注意火星。《史记》中说“虽有明天子，必视荧惑所在。” 顺行逆行诡诈，是两千年来中国皇权占星的主体。火星逆行被视为灾祸将至。李博士认为中国古代以四大发明为代表的研究方法更象是一种配方学而不是西方的实验科学。
什么是火星逆行？可见下图1：
地球观察者看到火星在天空中穿行时，有时会回过头来。这实际上是位于同一平面上的火星和地球绕日公转轨道速度和离太阳远近不同（地球在内圈，而火星在外圈）而给地球观察者的假象。从地球上看，地球公转轨道以外的行星实际上都有逆行现象。
（二） 如何从地球到达火星？
李博士指出：火星之旅所面临的最大问题就是如何用尽可能少的燃料穿越4.7亿公里的空间距离到达火星。
目前常用的方法要利用如下条件：
1. 利用地球和火星之间空间距离最近的时候，即地球-火星大冲时。
2. 确定从地球发射的窗口：当地球在以太阳为中心的公转轨道上落后于火星44度时，应是发射窗口。这个持续30天的时段每780天发生一次。如错过了此发射窗口，就得再等780天。参考图2.
3. 利用霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit) 飞行180度，把飞船转移到火星公转轨道上进入火星引力场，与火星会合。飞行259天后飞船将与火星会合。由于太阳引力场的作用，从地球到火星的飞行如上山坡，这259天，飞船可一路滑行，节省大量的燃料。参考图3.
（三）火星上的极端地貌
李博士介绍了火星上两个极端地貌：
1. Olympus (奥林帕斯）大火山
太阳系中最高的火山，22,000米高，600公里宽，几乎是珠穆朗玛峰的三倍高。能形成如此高的火山，主要是因为火星外壳没有地球上水平的板块运动。在一个固定的位置上喷发了几亿年，这座火山才能形成如此高度。参考图4.
2. Valles Mariners (水手号）大峽谷
這是太阳系中第二大的峡谷，仅次于地球上的Rift Valley。这条大峽谷成东西走向，8,000米深，200公里宽，4,500公里长。其形成原因尚无定论。参考图5.
李博士對這兩個极端地貌有声有色的描述给听众留下了深刻印象。
（四）探索火星生命
然后，李博士把话题转到人类孜孜追求的火星存在生命的直接证据。人类不愿成为宇宙中孤独的生命，一直想在火星找到生命的痕迹。
那么地球上的生命是如何定义的呢？李博士认为是以如下三个条件来确定的：
1. 以碳為基礎
2. 以DNA為藍圖
3. 以左旋氨基酸為結構的蛋白質生命
那么火星上有没有这样的生命呢？李博士判定：以人类目前对火星的了解，如果火星上曾有过生命存在，应该与地球上最古老的生命类型相似。什么是地球上最古老的生命？应该是最古老的厌氧，耐高温，喜硫磺和甲烷的细菌。
李博士用最著名的一块在南极发现的火星陨石作例子讲述了人类试图证实这种推论的努力。参考图6.
这块有爭议的南极杆菌化石中没有找到火星生命的直接证据，但在標本中找到大量的旁证，证明了火星上有可能曾有生命存在。
在讲座后的Q/A阶段，李博士回答了如何确定这块陨石是来自火星的问题。太阳系中每个行星的大气成分都不同，大气中各类稳定同位素的比例也各异。陨石形成时，都含有密封的气泡，保存着那个行星特有的大气成分。测量陨石气泡中所含稳定同位素的比例就成为最直接的方法，相当于测定陨石的指纹。那么宇宙中是否有与上述地球生命定义不同的生命呢？李博士在Q/A阶段也回答了这个问题。他认为碳基和基因这两个条件应是必要条件，但也会有与地球生命不同的右转氨基酸的生命存在。关键是在同一个星球上，一般不会具有左转和右转氨基酸的生命同时存在。
（五）21世纪探索火星有机物和生命体的战略方向：跟着水走
李博士随后讲述了进入21世纪后，人类确定了在火星上寻找生命的方向：跟着水走。为什么呢？这是因为液态水是生命存在的最重要的必要条件。水能溶解各类化学物质，使分子能进行化学反应制造蛋白质，更重要的是，水分子可被分解成H+和OH-, 直接参与生物化学反应，成为生命的不可或缺的一部分。生命的存在可能不需要阳光，但一定需要水。
火星上有什么性质的水呢？火星曾是一个大水球，有着比地球更深的海洋。火星上的洪水比地球上的诺亚大洪水大过100倍。由于火星的体积是地球的15%，引力场只是地球的38%，脱离火星的速度只需要5公里/秒，大气中的元素和水分在亿万年的过程中都逃逸到宇宙空间去了。火星的大气压力降到地球的1/150。在这样低的气压下，不可能形成液态水。目前火星地表上没有水，只在地表上留下了大量的古老的流水地貌。参考图7.
由于火星恶劣的自然环境，现在火星上存在的水只能是在地表以下，有些极可能是富含高氯酸盐和氧化锰的咸水。
（六）NASA的新计划：去火星取样
李博士认为这是一个宏大的目标，目前已经是“拉弓没有回头箭“，势在必行。
1. 如何取样
NASA发射的毅力号（Perseverance）火星車是取样车，将矿物和土壤的样本装在样本筒中，放置在选定的区域，等待地球飞船将其带回地球。 参考图8.
2. 如何回到地球？
由于太阳引力场的作用，从火星回到地球就如下山坡。火星到地球的发射窗口是地球在以太阳为中心的公转轨道上落后于火星75度时。飞船进入霍曼转移轨道，259天后到达地球。如错过这个发射窗口，就要在火星上等780天。 参考图9.
（七）中国的天问一号飞船和祝融登月车
李博士介紹了中國天问一号的到達火星。天问一号火星探索的目的也是寻找火星生命的直接证据。祝融登月车成功着陆火星，使中国成为世界上第二个成功登上火星的国家。 参考图10.
（八）人类登上火星的前景
李博士指出这是一个长期的目标，目前看是遥遥无期。
1. 人类登陆火星的困难
李博士指出人类登上火星有如下困难：
太空辐射对人体的伤害（一个人往返火星一次就承受了人一生中可承受的射线的一半）
失重状态下人体所受的损伤 （失水/骨骼疏松/肌肉流失/免疫力下降……）
4.7亿公里距离造成的补给困难（粮草燃料先行/就地取材(ISRU)/...）
环境控制及支持生命系统(ECLSS)/ 菌群培养(microbiome)
遥远无助/孤独寂寞......
2. 目前提出的载人往返火星的方案
李博士详细介绍了目前两种方案的优缺点。
冲级方案：217 + 30 + 403 = 650天
在火星上只停留30天，往返需620天，需用金星助推，发射窗口在登上火星30天后就可开放。但接近金星，太空辐射增强，突發的太陽活動等会产生對宇航員新的危险。 参考图11.
合级方案：210 + 496 + 210 = 916天 在火星上停留496天，往返需420天。需使用霍曼转移轨道，如错过在火星上的发射窗口，需等780天。参考图12.
李博士的专题讲座结束了，但Q/A部分的讲座更加热烈了。李博士对众多问题的回答既有深度，又有广度，呈现出来他清晰的思路，严谨的逻辑及科普作家通俗易懂的语言。在NASA管理层多年的经验使他能指出地缘政治及经济因素对太空探索计划的影响，提出自己独立的见解，这非常难能可贵，赢得了听众极大的尊重。
在众多问题中，有些李博士的回答已记在前面段落中，有几个问题的回答简要记录如下：
1. Elon Musk的火星移民计划可行吗？
李博士认为要移民火星先要问为什么要移民
火星目前的自然环境极其恶劣，由地殼中產生的磁场只是地球磁场的万分之一，因此太空辐射强度极高，整个地表没有任何生命存在。地球上最恶劣的自然环境都比火星好上成千上万倍。人类探索火星是由存在于我们基因中的探索精神所驱使，这与移民火星的动力并不一样。
2. 送人上火星为什么要先去月球？
李博士认为人类去火星的最好办法就是从地球出发直接去火星，然而由于政治原因（中国登月计划）NASA被要求先去月球建基地。
3.火星上的水包括地球上的水最初是從哪裡來的？宇宙大爆炸時水是以什麼形式存在的？還是以後形成的？
李博士用他对宇宙大爆炸理论（Big Bang)的深刻理解详细回答了这个问题。 李博士讲述了大爆炸发生时从基本粒子到产生原子量较小的轻元素（氢，氦）的过程。大质量恒星坍缩发生氦聚变，产生碳和氧。等到原子数为8的氧元素产生后，水（H2O）就产生了。其他原子数大的重元素要等到超新星（Super Nova)爆发时才会产生。
4.UFO現象真實嗎？
李博士认为：如问有没有地外文明，一定有，如问来没来过地球？一定没有！如果真有一个外星文明飞越上百光年来到地球，这个文明的科技水平一定会比人类高无数倍。你想他们会到了地球就躲藏起来，从不现身吗？
夜深了，听众意犹未了，热烈的讨论还在继续……。
在我完成這篇報道時，回想起李博士談起的探索火星的巨大花費，一路上数不清的危险，千千萬萬像李博士這樣的科學家，工程技術人員皓首窮經，焚膏继晷为探索火星付出一生。大众对与他们的生活毫不相关的火星探索充满了巨大的热情。这使我认识到这种探索精神是深植于人类基因中的，是不能用实用价值来衡量的。火星探索的过程使人类看清了自己的能量，愉快而勇敢地重新認識到自己的偉大！
图1
图2
图3
图4
图5
图6 疑似火星上的杆菌化石
图7 火星的流水地貌
图8
图9
图10
图11
图12
（文 杨朝）
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