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北京時間1972年12月12日3點54分57秒，挑戰(zhàn)者號月球艙降落在了澄海（Mare Serenitatis）東南方的陶拉斯-利特羅（Taurus-Littrow）月谷。月球迎來了阿波羅計劃的最后一批登月者，同時也迎來了首位登月的科學(xué)家：宇航員、地質(zhì)學(xué)博士哈里森?施密特（Harrison Hagan Schmitt）。

施密特出生在美國新墨西哥州的桑塔麗塔（Santa Rita）。1957年本科畢業(yè)于加州理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)專業(yè)，然后在挪威奧斯陸大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)了一年地質(zhì)學(xué)?；谒谂餐囊巴獾刭|(zhì)工作，施密特于1964年獲得哈佛大學(xué)地質(zhì)學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后，他加入了位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫（Flagstaff）的美國地質(zhì)調(diào)查局太空地質(zhì)學(xué)中心（U.S. Geological Survey's Astrogeology Center），為阿波羅宇航員們研發(fā)探月所需的野外地質(zhì)裝備。

1965年6月，施密特入選美國國家航空航天局（NASA）第一批科學(xué)家宇航員（scientist-astronauts）。他在阿波羅機(jī)組人員訓(xùn)練過程中起到了重要的作用：訓(xùn)練他們以地質(zhì)學(xué)家的方式來描述月球表面，并在登月之后能夠準(zhǔn)確地選擇月表樣品標(biāo)本。在每次登月任務(wù)后，他還參與了采集標(biāo)本的研究和評估，并幫助登月宇航員完成任務(wù)報告中的科學(xué)內(nèi)容。

1970年3月，施密特成為第一個被分配到太空飛行任務(wù)的科學(xué)家宇航員，與理查德?戈爾登（Richard F. Gordon, Jr.，指揮官) 和萬斯?布蘭德（Vance Brand，指揮艙飛行員）一起組成了阿波羅15號的后備機(jī)組，也是阿波羅18號的首發(fā)機(jī)組。

1970年9月，由于美國宇航局預(yù)算緊張，阿波羅18號和19號任務(wù)被取消。阿波羅計劃中的地質(zhì)學(xué)家們強(qiáng)烈建議：必須讓一名專業(yè)地質(zhì)學(xué)家登上月球，讓訓(xùn)練有素的地質(zhì)學(xué)家能夠在阿波羅最后旅程中直接對月球進(jìn)行勘察。他們集體向美國宇航局施壓，要求將施密特調(diào)整至阿波羅17號任務(wù)中。

1971年8月，施密特被指派接替約瑟夫?恩格（Joe Engle）擔(dān)任阿波羅17號任務(wù)的登月艙駕駛員，執(zhí)行阿波羅最后一次任務(wù)。同時，施密特成為了阿波羅計劃中唯一一位執(zhí)行任務(wù)的科學(xué)家。

阿波羅17號任務(wù)徽章

在阿波羅17號任務(wù)的三次月球行走中，施密特與指令長尤金?塞爾南（Eugene A. Cernan）一起搜集了111千克的月球樣品。在首次踏上月球表面時，施密特感慨道：

阿波羅17號任務(wù)之所以選擇陶拉斯-利特羅月谷作為登陸地點，是因為這里可能獲取比雨海更古老的月球高地物質(zhì)樣品，并可能存在新近火山活動。在任務(wù)論證的過程中，施密特和其他科學(xué)家曾建議將位于月球背面的齊奧爾科夫斯基環(huán)形山（Tsiolkovskiy Crater）作為登陸地點。

齊奧爾科夫斯基環(huán)形山位于北緯20.38度、東經(jīng)128.97度，是一座大型撞擊坑。該撞擊坑長約直徑184公里，體積約3745?km³，中央有一個3200米高的山峰。坑底覆蓋著月球正面常見的，但是月球背面少見的深色月海玄武巖?？拥讝|部和南部的月海玄武巖較多，且在西部到西北部存在一個突出的灣。其余部分的物質(zhì)與撞擊坑周圍的物質(zhì)反射率一致。

施密特等地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為：這個地方可能可以采集到來自月球深部的古老樣品。但是，美國宇航局認(rèn)為這一想法過于冒險而予以否決。最終，阿波羅17號在陶拉斯-利特羅月谷采集到的樣品測定年齡為36?42億年（Turner et al., 1973）。不過，施密特等人的判斷是準(zhǔn)確的，最近一項研究顯示，齊奧爾科夫斯基環(huán)形山是在35億年前一個天體撞擊在年齡為41億年的地體上形成的 (Boyce et al., 2020)。

不僅僅是月球上的齊奧爾科夫斯基環(huán)形山，位于火星及木星軌道之間的第1590號小行星也叫齊奧爾科夫斯基小行星。

齊奧爾科夫斯基是誰？為什么月球背面這個如此獨特的環(huán)形山，以及一顆小行星會以他的名字命名？

“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。他們不斷地爭取著生存世界和空間，起初小心翼翼地穿出大氣層，然后就是征服整個太陽系?！薄邓固苟?齊奧爾科夫斯基

康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky，Константин Эдуардович Циолковский，1857年9月17日—1935年9月19日），現(xiàn)代宇航學(xué)的奠基人，被稱為航天之父。

1867年，10歲的齊奧爾科夫斯基在滑雪時得了嚴(yán)重的感冒，導(dǎo)致猩紅熱，最終幾乎完全失去了聽覺。上帝給齊奧爾科夫斯基關(guān)上一扇門的同時也給齊奧爾科夫斯基打開一扇窗！后來的他回憶說：“我的耳朵近乎全聾，因此成了鄰近的兒童們嘲笑的對象。這個生理缺陷使我同人們疏遠(yuǎn)了，但卻使我發(fā)奮讀書，用幻想來忘卻所有的煩惱?！?/p>

在閱讀的過程中，星際航行的問題對齊奧爾科夫斯基產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸引。1873年，在思索實現(xiàn)太空飛行的方法時，16歲的齊奧爾科夫斯基忽然想到：可以利用離心力作為通向星際空間的方法。他后來回憶說：“當(dāng)時我簡直高興得發(fā)狂，那一晚我整夜都無法入睡。我慢慢地在莫斯科的大街上徘徊，一直思考著這一發(fā)現(xiàn)的偉大意義。但到了第二天黎明，我終于認(rèn)識到我的推理是錯誤的。”

1881年，齊奧爾科夫斯基將一篇名為《Theory of Gases》的氣體動力學(xué)理論論文提交給俄羅斯物理化學(xué)學(xué)會。學(xué)會的科學(xué)家看到他的論文后十分驚訝：論文的內(nèi)容和結(jié)論完全正確，但這一問題早在二十多年前就已得到了圓滿解決。科學(xué)家們沒有把這個年輕人看作是騙子或剽竊者。他們認(rèn)為：這位年輕學(xué)者可能與外界缺乏聯(lián)系，并不知道他的“發(fā)現(xiàn)”已經(jīng)問世多年。著名科學(xué)家門捷列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleev）給齊奧爾科夫斯基寫了一封措辭謹(jǐn)慎的信，對他的工作和成績表示贊賞，還對他進(jìn)行鼓勵，希望他將來取得更大成果。在他的第二篇文章《The mechanics of the animal organism》發(fā)表后，俄羅斯物理化學(xué)學(xué)會對這位年輕人的思想獨立性印象深刻，邀請他成為該學(xué)會的一員。

氣體實驗的工作為齊奧爾科夫斯基的理論著作《Free Space》提供了靈感。這本書中，他首次嘗試描述宇宙對人類的意義以及真空和失重對未來太空旅行的影響。這本書完成于1883年，直到齊奧爾科夫斯基去世以后的1956年才出版。這本書的手稿中還包含一幅素描，被認(rèn)為是齊奧爾科夫斯基最早對航天器的描繪之一；一幅展示了失重狀態(tài)下的太空旅行者的簡筆畫；一種類似大炮的，用于推動飛行器在真空中飛行的機(jī)器；以及控制船舶在太空中前進(jìn)方向的原始陀螺儀。

1897年，齊奧爾科夫斯基推導(dǎo)出著名的火箭運動方程：ΔV=V_e*ln(m₀/m₁)。后來發(fā)現(xiàn)，1813年英國著名數(shù)學(xué)家威廉·摩爾（William Moore）在《A Treatise on the Motion of Rockets》一文中已經(jīng)推導(dǎo)出該原理，并由英國皇家軍事學(xué)院應(yīng)用于最初的武器研制。由于摩爾的這一理論從未公開發(fā)表，齊奧爾科夫斯基是獨立推導(dǎo)并首次公開發(fā)表，且該火箭運動方程已在世界范圍內(nèi)被廣泛承認(rèn)，因此該方程仍被稱為“齊奧爾科夫斯基火箭運動方程”。

1898?1914年間，齊奧爾科夫斯基一系列的著作系統(tǒng)地建立起了航天學(xué)的理論基礎(chǔ)。

在對火箭運動理論進(jìn)行了一番研究之后，齊奧爾科夫斯基又對星際航行問題進(jìn)行了研究和展望。這些階段包括：火箭汽車、火箭飛機(jī)、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間工廠、空間基地、太陽能的充分利用、外太空旅行、行星基地，以及恒星星際飛行等。他提出的在飛船中利用植物生產(chǎn)食物和氧氣、依靠旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重力、更好地利用太陽能等思想至今仍是航天領(lǐng)域的研究方向。

1919年，齊奧爾科夫斯基入選社會主義科學(xué)院院士（Socialist Academy，后更名為Academy of Sciences of the U.S.S.R.）。

1924年，齊奧爾科夫斯基被推選為蘇聯(lián)宇航學(xué)會軍事航空學(xué)院的第一位教授。

1931年，齊奧爾科夫斯基在他的自傳中寫道：“兒童時代以來，嚴(yán)重的耳聾使我完全不顧及日常的生活方式，也因此缺少‘交際’。這也許是我到了68歲仍然進(jìn)展緩慢，沒有取得真正成功的原因。沉思、計算和實驗構(gòu)成了我的全部生活。……重大的問題還遠(yuǎn)未解決，我是否擁有足夠的能力或者健康，將我這些思想變成現(xiàn)實？"

在齊奧爾科夫斯基的論文和著作的影響下，一批火箭和航天愛好者走上了航天探索的道路。他的成就也被歐美廣泛承認(rèn)，德國航天先驅(qū)Hermann Oberth曾在致齊奧爾科夫斯基的信中說：“您已經(jīng)點燃了火炬，我們絕不會讓它熄滅。讓我們盡最大的努力，以實現(xiàn)人類最偉大的夢想?！?/strong>

齊奧爾科夫斯基開啟了人類的航天時代。他曾說：

“人類現(xiàn)在還能力有限，但他們已經(jīng)開始改變地球表面。在數(shù)百萬年后，他們可能獲得改變地球表面、海洋、大氣層，甚至人類本身的能力。他們將像控制地球一樣控制氣候和太陽系。他們將跨越我們行星系統(tǒng)的邊界；他們將直接觸摸到太陽，并直接使用太陽散發(fā)出的新鮮能量，而不是利用其釋放出來的那一點最后的光亮?！?/span>

“Men are weak now, and yet they transform the Earth’s surface. In millions of years they might will increase to the extent that they will change the surface of the Earth, its oceans, the atmosphere and themselves. They will control the climate and the solar system just as they control the Earth. They will travel beyond the limits of our planetary system; they will reach other Suns and use their fresh energy instead of the energy of their dying luminary.”

十九世紀(jì)初，齊奧爾科夫斯基認(rèn)為人類在百萬年后可能會獲得改變地球表面的能力。僅僅兩個世紀(jì)之后，人類已經(jīng)實現(xiàn)了對地球表面陸地、海洋、大氣的巨大改造。那么是不是在不遠(yuǎn)的將來，我們就能解鎖控制太陽系的能力呢？

蘇聯(lián)的月球號和美國的阿波羅計劃實現(xiàn)了人類對月球的探索。而我國奮起直追，從嫦娥一號到嫦娥五號，實現(xiàn)了月球的“繞、落、回”；天問一號，一次實現(xiàn)了火星的“繞、落、巡”。未來，我們還有嫦娥六號，月球背面采樣；嫦娥七號，月球南極探測；嫦娥八號，配合嫦娥七號，為月球科研站完成技術(shù)積累。天問二號，小行星探測和采樣；天問三號，火星采樣；天問四號，木星及冰衛(wèi)星探測。而且，還計劃在2030年左右完成載人登月。未來十年，將是我國深空探測任務(wù)最密集的十年。

國家航天局已經(jīng)發(fā)布了視頻，未來將與俄羅斯合作打造月球科研站。要在月面上長期駐留，必然要涉及到資源能源的利用。在哪建立基地、有什么資源、如何利用？這些都是地球科學(xué)的主業(yè)，未來將大有可為。與此同時，商業(yè)航天如火如荼，國內(nèi)外很多商業(yè)航天公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。未來的世界將需要大量的相關(guān)領(lǐng)域人才。

我們正處在一個激動人心的時代。

行星科學(xué)是地球科學(xué)的延伸，是深空探測的出入口。通過多年的努力，2021年10月26日國務(wù)院學(xué)位委員會批準(zhǔn)設(shè)立行星科學(xué)為一級交叉學(xué)科，2022年2月24日教育部將行星科學(xué)列為普通高等學(xué)校本科新專業(yè)名單。具體情況在《行星科學(xué)一級學(xué)科建設(shè)兩周年》一文中已有過詳細(xì)介紹。這里不再贅述。

在行星科學(xué)各個異彩紛呈的研究方向中，有一個重要的研究方向叫比較行星學(xué)。

比較行星學(xué)研究什么？

讓我們穿越回46億年前的某一天，嚴(yán)格的說那個時候還沒有“天”的概念，因為地球還沒有誕生。一堆不起眼的星云和塵埃，受到了某種擾動，導(dǎo)致它開始坍塌，然后開始加速旋轉(zhuǎn)，形成星云盤。隨著中心物質(zhì)越來越多，壓力越來越大，溫度越來越高，引發(fā)了核聚變，太陽誕生了。放眼宇宙，它只是無數(shù)普通的太陽之一，但后來我們知道，它很特別，因為它有我們。那么太陽形成時，初始物質(zhì)狀態(tài)是怎樣的呢？前時代的恒星物質(zhì)，來自紅巨星、超新星，它們的分布又是怎樣呢？

太陽形成之后，太陽星云的溫度就發(fā)生了變化，靠近它的地方溫度高，遠(yuǎn)離它的溫度低。于是，中間必然有一個界線，叫做“雪線”。雪線以內(nèi)，水是液態(tài)或者氣態(tài)的，雪線以外，水是固態(tài)。那么，這樣一個過程會造成怎樣的物質(zhì)遷移？又造成了怎樣的內(nèi)外太陽系差異呢？

再然后，行星開始形成。想象這樣一個過程，塵埃開始聚集，形成小的星胚，然后是星子，然后是小行星，行星。而稍微大一點的小行星，會因為放射性衰變產(chǎn)生的熱，開始分異，形成圈層結(jié)構(gòu)。密度大的鐵質(zhì)熔體，進(jìn)入中心形成核，密度低的硅酸鹽熔體上升，形成殼。這些過程中發(fā)生了什么呢？

在行星形成之后，它們既有相同點，又都有各自獨特的地方。到底什么是主控因素，到底什么導(dǎo)致了差異化？地球的板塊運動是獨有的嗎？金星為什么會發(fā)生失控的溫室效應(yīng)呢？

這還沒完，我們擁有一個獨特的月亮。相比于別的月亮，它是如此的大，轉(zhuǎn)得如此的快。以至我們的主流觀點，公認(rèn)地球和月球形成于一次大撞擊，并在早期經(jīng)歷了巖漿洋過程，就是表面被幾百公里的巖漿的海洋所覆蓋。因此，地-月是個系統(tǒng)，是個整體，而月球保留了很多早期的記錄，那么地球的早期到底發(fā)生過什么呢？

除地球早期之外，我們對地球深部也知之甚少。盡管地球深部的結(jié)構(gòu)和成分，是固體地球科學(xué)的重要問題之一。但我這里要介紹的，是比較行星學(xué)視角。比如，我們可以通過隕石撞擊，或者高溫高壓實驗的模擬，來理解行星內(nèi)部到底由什么構(gòu)成？又具有怎樣的結(jié)構(gòu)？

從太陽到行星到地球，之所以如此特別，都是因為這里有我們，有生命。生命的起源和演化，一直是困擾我們的終極問題。盡管生命的組成材料，在太陽系幾乎隨處可見，隕石中發(fā)現(xiàn)了多種有機(jī)物，隼鳥2號的樣品中也發(fā)現(xiàn)了多種氨基酸。這些有機(jī)物如何形成的，它們?nèi)绾畏植嫉?，哪些有機(jī)物才是真正的生物標(biāo)志物？

有了生命，才需要考慮宜居環(huán)境，那么什么是宜居環(huán)境？火星，兩極有冰蓋，有地下湖，適合微生物生存嗎？木衛(wèi)二，土衛(wèi)二，有地下海洋，甚至有水熱系統(tǒng)，能孕育生命嗎？

以上這些問題，很多都還沒有找到答案，仍然需要大家來探索。如果你對這些問題感興趣，但又苦于沒有途徑，那應(yīng)該怎么辦呢？

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理院重點實驗室，比較行星學(xué)課題組歡迎你！

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理院重點實驗室，比較行星學(xué)課題組長期招收碩士、博士研究生及博士后，也歡迎本科生來進(jìn)行合作學(xué)習(xí)。

在這里，你不一定能上天，但是你能得到天上來的第一手資料，在人類探索深空的旅途中留下你的“足跡”。

你可以通過分析就位探測數(shù)據(jù)、隕石樣品和地外返回樣品，獲得太陽系或行星演化的信息。

在這里，你不一定能上天，但是你可以在實驗室和計算機(jī)里重建你心中的宇宙，為未來的深空探測指引方向。

你可以通過各種模擬的手段，來解決探測無法解決的問題。比如行星內(nèi)部的物質(zhì)組成、天體化學(xué)的反應(yīng)過程、以及隕石撞擊過程的模擬。

在這里，你不一定能上天，但是你的作品很可能會上天，成為未來的深空探測中的一把利劍。

你可以做月球、火星環(huán)境模擬倉，可以設(shè)計針對不同行星表面土壤的性質(zhì)的分選裝置，可以為地外稀薄大氣設(shè)計采樣器，還可以為地外珍貴樣品的分析研發(fā)更高精度的分析儀器。

在不遠(yuǎn)的將來，月球上將會留下中國人的足跡。不僅如此，我們還要在月球上建立基地，在那里看星星、看地球，開啟星辰大海的探索之旅。無論你以前是學(xué)什么的，數(shù)理化天地生，工程技術(shù)，你都可以加入我們。我們一起為人類的深空探測事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。

并且，你也不一定不能上天。畢竟當(dāng)年施密特也是這么一步一步走上月球的，不是嗎？