2020一起感受前沿科学的魅力

2020-01-23 16:36:31 来源：中国文化新闻网作者：分享：

　　2020一起感受前沿科学的魅力

　　【科技向未来】

　　编者按

　　新年伊始，在清华大学，一场别开生面的科普活动受到社会广泛关注。中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士、清华大学生命科学学院院长王宏伟、腾讯量子实验室负责人张胜誉等科学家盘点天文学、生命科学和化学、数学物理学等科学领域2019年度成果，讲解探月工程、冷冻电镜、量子物理等前沿科学突破背后的故事，本期与读者分享。

　　中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远：　

　　探索太阳系的星辰大海

　　对于我们的工作，国家批准了三个任务。在第一个一百年到来之前，要发射探测器，着陆到人类从来没有去过的月球背面，要着陆在月球上把样品采回来，我们将进行首次火星探测。到21世纪中叶，中国将要建设一个太空强国。如此艰巨繁重的任务，我们目前仅做了一点关于月球和行星的探测。

　　首先介绍嫦娥四号，这是在嫦娥一号、二号、三号的基础上，国家批准我们要降落到人类从来没有到达过的月球的背面。人类有史以来一共在月球上着陆了20次，其中美国进行了11次、苏联8次，我们的嫦娥三号也降落下去了，但这20次全部集中在月球正面，所以嫦娥四号是人类首次着陆到月球背面去。

　　到月球背面之后有一个最大的难题，就是看不见、不能通信。200多年以前，法国数学家研究出月拉格朗日有五个引力平衡点，两个引力平衡点是在小物体的那面，只有一个办法，发射一个中际星到拉格朗日第二点上，看能不能把月球的背面跟地球联系起来。我们发射了中继星，到达月拉格朗日后打开网状天线，这样直接可以把地球以及月球联系起来，可以指挥在月球上怎么样着陆、怎么样工作，把探测的数据向地球报告，地球就可以及时给他们以指令，这样就完全变为一条畅通的链路了。

　　第二个难题是如何着陆。嫦娥四号发射以后从地球到达月球，然后被月球引力捕获了之后要调整轨道，飞到着陆区上空，然后朝着陆区着陆下去。但在月球上着陆不能用降落伞，因为月球表面是超高真空，大家都知道一个东西落下来重力加速度越掉越快，最后砸得稀烂。只有一个办法，在这个着陆器下面安一个发动机，你往下掉我就往上推，慢慢掉下来。但还有一个问题，月球表面这45亿年以来砸了不知道多少个坑，到处坑坑洼洼，着陆器四条腿降落在月面上，一条腿掉到某一个坑就会倒下去，月球车爬不起来前功尽弃。我们有非常高级的人工智能计算机，慢慢落下来，一边落一边拍照，立即分析判断哪里可以着陆。最后拍了3764张照片，直到有一张照片可以落了，就按照人工智能的指示落下去了，安安稳稳地着陆到月球的表面。

　　我们干吗要到月球背面去？有三个目的。

　　第一，人类得到了很多来自于宇宙、银河系、太阳系的科学信息，但由于地球的电离层干扰，我们收不到长波的电磁波或低频的电磁波。这些信息在月球正面也收不到，要知道这些科学信息，只有一个办法，跑到月球背面去。

　　第二，月球的历史正面最古老是40亿年，早于40亿年更古老的历史不知道，我们要到月球背面，落到最老的石头上把月球的历史全面归述。

　　第三，人类从来没有到过月球背面，中国跟欧洲很多国家合作研制了几台仪器，我们一定要测出来月球背面的表面环境、近月空间环境，这些全部是人类从来不知道的，我们现在已经研究出很多的成果，正在逐步发表。

　　嫦娥四号已经工作了整整一年，取得了大量成果。按照计划，2020年底我们要到月球上采样返回。我们挑了一个地方，离阿波罗载人登月的地方很远，一千多公里以外的，我们落下去之后，用电铲采样加上自己打钻取样等，把所有的样品装到锥形舱里头。但是我们回不来，在月亮上，没有那么多的燃料把它送回来，我们只要它飞上去，月球空间站跟飞船自动会对接，最后这个飞船把它带回地球，这个时候可以用降落伞很安全地落在内蒙古的四子王旗。

　　2020年，我们还要把中国的火星探测器送上火星，路途要飞七个月左右，将近四亿公里。我们到火星是为了全面地探测火星，这是中国头一次去。中国的科学家曾经做过一个工作，用火星掉下来的石头在北京的实验室做了大量分析，最后证明火星曾经有过生命，这是很了不起的一件事情，我们在欧洲发表了这一成果。2014年12月2日，美国的好奇号向全世界公布了他们探测的结果，证明火星曾经有过生命，他们的记者招待会是2014年12月16日，比中国晚了半个月。这件事情人们仍然承认是中国首先做到的。但火星现在究竟有没有生命，以前有过什么生命形态并不清楚。另外全世界的科学家都有一个共识，改造火星，让它变为第二个地球。经过了38亿年生命的逐步演化，到最后的200万年才出现了人类，而且具有智慧，建立了高度文明的社会，所以我们一定要保护人类，让人类的未来更美好、更幸福。

　　这样的话，我们完成这三次任务，到了2021年，我们以优异的成绩去祝贺我们伟大的第一个一百年。我们同时又制订了一个十年规划，中国要探测整个太阳系。探测什么呢？难道浩瀚太阳系只有地球有生命，别人都没有？哪怕细菌也是了不起的事情，如果可以发现的话，毕竟是生命。另外，我们要研究太阳系的起源以及演化，其次我们还要利用太阳系各个天体的特殊资源和能源，为人类社会的持续发展作出贡献。

　　我们还要预防地球遇到突然袭击，比如小天体撞地球，再出现类似恐龙灭绝这样的事情。地球附近有密密麻麻的两三万个近地行星，直径大于一公里的有800个，一撞下来又是巨大的灾难。很多小行星走得又不太规矩，所以我们一定要选择几个小行星，跟它伴飞取样，搞清楚如何规避近地小行星撞击地球。

　　我们还要去木星。木星在八行星当中最大，它的体积相当于13146个地球堆起来的大小。它有79个“月亮”，所以我们选了两个，第一个是木卫四，它表面上有冰，里面有海洋，海洋里面又有火山喷发。按照这个条件，有液态水，有能量，也有一些组成生命的元素，一定可以有生命的诞生，所以科学家们期盼着在木卫二的海底可能有生命。

　　这些任务非常艰巨，但我们中国要越飞越远。

　　目前全世界兴起了一股浪潮，就是太空资源的开发利用。太空资源主要是矿产资源、能源资源，比如月球土壤里面有大量的氦3，嫦娥一号计算的结果大概至少可以确保满足全人类一万年的能源需求。对月球包括小行星的资源能源环境进行开发利用，对于支持人类社会的有序、健康幸福发展将会发挥重大的作用。所有这些，包括改造火星，是科学家的梦想，但所有这些寄托在年轻人身上，希望年轻人担当责任、完成使命，成为未来建设太空强国的担当者。

　　清华大学生命科学学院院长王宏伟：　

　　冷冻电镜：探秘人类的生命奥秘

　　人类在过去的几百万年一直用肉眼观察周边世界，但实际上，我们一直对在更加微小的尺度上生命现象是如何展现的很感兴趣。我们希望可以看得越来越精细，对生命奥秘有更加精细的了解。

　　几百年前的人类就一直努力做这件事。在《西游记》里，孙悟空可以72变、钻到铁扇公主肚子里面。我们希望可以缩到更小，缩到原子层面看到更加精细的结构。大约300多年前，以荷兰显微镜学家列文虎克为代表的科学家们开始研究光学显微镜，首次让我们得以看到细胞的存在，它主要用光通过透明介质的原理。

　　今天的光学显微镜，经过几百年发展已经越来越强有力，可以看到越来越精细的结构，看到细胞里非常多、非常有趣的现象。看雪花，可以看到晶体结构，会发现世界上每一片雪花都不一样。看昆虫，比如一只果蝇，对它的复眼逐级放大，会发现有非常多非常漂亮的细胞以各种不同形状组合在一起，让果蝇的眼睛可以看到周边的世界。我的同事清华大学俞立教授发现，细胞不但爬行，爬行的过程中还留下一些非常漂亮的尾足结构，用光学显微镜可以观察一个细胞是如何分为两个细胞的。

　　但如果想看到更加精细的结构，我们需要用透射电子显微镜。20世纪30年代，德国科学家露丝卡发现，电磁在磁场下可以发生聚焦效应，这跟光学显微镜的原理非常相似，由此提出了电子显微镜的概念，并且发明了世界上第一台透射电子显微镜，他也因为这个发现获得了1986年诺贝尔物理学奖。

　　今天的电子显微镜更加高级、更加复杂，可以给我们揭示的微观世界也更加精彩。利用冷冻电子显微镜（简称“冷冻电镜”），我们就可以看得更加精细，比如细胞中的膜。三位研究冷冻电镜的科学家曾获得2017年诺贝尔化学奖，也使得它在过去几年间成为结构生物学的重要工具。

　　什么是冷冻电镜？它是指生物大分子或者蛋白质分子起先呈溶液状态，每一个分子在溶液里做运动，把这样的一小滴蛋白质溶液放到电镜载网上，两个轻轻一夹，在夹层薄薄的水膜非常快碰到液氮的情况下，就形成了玻璃态的冰，刚刚蛋白质的分子被固定到薄薄的冰里面了。这样的样品我们把它叫作冷冻样品，把这样一个样品放到投射电子显微镜中观察就叫作冷冻电镜。投射电子显微镜的高能电子数穿透每一个分子，像X光穿过每个人的身体一样，可以拍摄这个分子的形貌以及它的内部结构信息，在这样的一个冷冻电镜照片中我们可以看到很多孤立的蛋白质分子，我们可以用计算机的手段把这里面的每一个分子提取出来，长得相似的分子进行汇总、叠加、平均，从而获得更加精细图像的内部结构。

　　获得多个被分为四个不同方向的这样一个二维结构后，最后在计算机里通过三维重构的算法，奇迹发生了