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2020-2021

欧阳自远:向太阳系的星辰大海挺进 | 2021年·第9期
发布时间:2023-04-25    2202   

(内容整理自墨子沙龙“向太阳系的星辰大海挺进”活动)

谢谢主持人的介绍,感谢墨子沙龙的邀请,很荣幸能参加墨子沙龙的活动。我今天要讲的题目是向太阳系的星辰大海挺进。


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大家看到这个题目可能觉得不对,我们现在总是说要向宇宙进军,要揭开宇宙的奥秘,要进行星际的探测,但我还要是老老实实地说,现在人类的能力和水平只能向太阳系的星辰大海挺进。我大约分五部分,来介绍这里面的内容。


前言


人类自古以来深受神权影响,当时在欧洲最流行的地心学说,说的是所有的天体都围绕着地球转。太阳是绕着地球转东出西落,整个宇宙都是绕着地球转,地球是中心,这也符合上帝创世的传说。

  

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1543年,哥白尼提出了日心学说,即太阳系的这些行星,都受太阳控制,一方面自转,一方面绕着太阳公转。这是一个革命性的发现,也带来了科学的蓬勃发展,让我们从此对整个太阳系的认识走向了一条正确的道路。


日心说被证实后,大家就要研究整个宇宙尺寸、历史等。从哥白尼以来的500来年,经过科学家们的不懈的努力,我们认为宇宙在大约138亿年前有一次大爆炸,形成了千千万万个星系,而现在宇宙可见的半径大概有460亿光年。


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宇宙的年龄大约138亿年,宇宙大爆炸形成了千千万万个星系。宇宙可见半径为460亿光年。宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物构成的统一体。


宇宙形成了千千万个星系,我们居住的星系叫银河系,中国古代叫天河。银河系只是宇宙千千万个星系当中的一个,直径大约有十万光年,也是非常庞大而浩瀚的。

 

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一条天河上面有很多星星,“天上的星星亮晶晶”。因为天上的星星自己可以发光,所以才能被看到。银河系里有那么多星星,我们的太阳是千千万个星星当中的一个,现在已经知道银河系里大概有2000亿个“太阳”,我们的太阳是其中一个,在银河系的一个悬臂上。这2000亿个“太阳”中,每个“太阳”都管了一串行星。我们所在的地球,也只是太阳系管辖的八大行星之一。银河系里的“太阳”,哪个“太阳”比较大,带的行星可能就会比较多。在银河系里2000亿个“太阳”里,我们所在的太阳系是银河系里面普普通通的一个。所以即使以银河系的尺度来看,我们都是沧海一粟,所以以人类现在的探测能力,只能探测到太阳系。


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1977年,美国发射了两个探测器,叫旅行者一号和旅行者二号。到今天飞了44年,这44年一直以第三宇宙速度,每一秒钟飞16公里,这速度看起来很快,但44年飞了多远呢?就在下图中弓形激波旁边,蓝色三角形显示的位置。而太阳系到底有多大呢?地球跟太阳的距离是1亿5000万公里,我们把它叫做一个天文单位,太阳系管辖的范围有10万个到20万个天文单位,即15万亿到30万亿公里。那旅行者一号二号飞到哪了?只飞了260亿公里。


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1977年,发射旅行者1、2号


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1977年发射的“旅行者1号、2号”,飞行44年到达距离地球260亿千米(~174天文单位),到达太阳系半径的千分之一。


我们太阳系的邻居,正式名称叫半人马座阿尔法,中国人叫它比邻星,天涯若比邻的意思。太阳跟比邻星的距离,有15万亿到30万亿公里。那么旅行者一号、二号只飞了太阳系半径的千分之一。所以假如从地球上发射探测器,以现在人类的技术水平,大概要三万年才能够飞出太阳系到半人马座,比邻星管辖的范围。所以以现在的能力,我们根本出不去。


旅行者一号、二号是国际上非常有名的探测器,他们开始以为路上一定能够碰见外星人,所以录了一些光盘,一边飞一边放出来,向外星人问好。另外挑了一些非常好听的乐曲,比如我们中国的“高山流水”也被挑进去了,希望外星人喜欢我们地球人类的音乐。但飞了40多年了,现在还在太阳系里头。


下图在太阳的旁边的是八大行星,太阳系外面还有更浩瀚的奥尔特云,要飞三万年才能飞到。太阳系有八大行星,而我们去年才去火星,所以我们现在人类的探测只是行星际之间的探测,还要几十年才慢慢地飞过这八大行星,还要上千年、上万年,才能飞出太阳系。所以我老老实实地说,我们人类现在深空探测的任务,就是要探测行星际空间的太阳系。


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太阳系的半径10-20万天文单位,15-30万亿千米,大约2—3光年。飞行器以第三宇宙速度飞行(16.7km/s),至少需要3.2万年才能飞出太阳系的边界。


这几十年以来,科学家们也想,银河系里2000亿个太阳,应该也会有另外一个地球,也会有外星人和高度发展的文明?所以这几十年以来,科学家们发射了一系列太空望远镜。我们去不了,但是望远镜可以看见,就可以去寻找,有没有哪个“太阳”的哪颗行星像我们的地球,它的大小、与太阳的距离跟我们差不多,有没有可能培养出物种,甚至出现智慧生物,建立高度的文明。


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科学家抱着极大的期望,发射了那么多的太空望远镜,著名的有哈勃望远镜、开普勒望远镜等等。经过这几十年的努力,在银河系里找到了700到800个比较像地球的行星。那上面是不是有外星人呢?这虽然引起了科学家极大的兴趣,但是很遗憾,距离地球太遥远了,无法进行探测。比如开普勒找到了地球的一个表兄弟,或者叫“2.0版”的地球——开普勒186f。它离我们地球有500光年。也就是我们用望远镜看到它的形貌,是他500年前的情况,光从它那儿传到地球要经过500年的时间。


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Kepler-186f距离地球~500光年(对应于明朝中期);有些类地行星相距1800光年(对应于汉末三国时期)


我们现在人类的技术飞一个光年大概要一万年,光每秒钟30万公里,而我们的探测器一秒钟十六七公里,速度差的太远了。俄罗斯有一位科学家齐奥尔科夫斯基(1857—1935),他的墓志铭上说,“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮里。开始,他们将小心翼翼地穿出大气层,然后便去征服太阳系”。应该说,从他逝世到现在80多年了,他的预言是非常正确的。1957年,苏联发射了第一个人造地球卫星,宣布了人类空间时代的到来。令人更没有想到的是,1958年美国和苏联两个超级大国去探测月球,实现了人类飞离地球、开展深空探测、去月球探测的梦想。紧接着, 1960年苏联发射了火星一号探测器,美苏又去探测火星。我们的每一步都相差他们大概半个世纪。


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更没有想到,1961年苏联加加林上天,而我们的杨利伟同志是在2005年上天。发展更快的是美国。1969年,阿姆斯特朗搭载美国的探测器着陆在月球上,实现了人类第一次着陆。有两位航天员,一个是阿姆斯特朗,一个是奥尔德林。阿姆斯特朗说,“这对我个人来说是一小步,而对人类来说是一大步”。而我们国家是一位后来者,但我们要加快步伐,有自信一定要实现月球探测、太阳系的探测。


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当代的太阳系探测:月球探测是起点,火星探测是热点,小行星探测是亮点,行星际穿越探测是难点!


月球探测是起点

深空探测指的不是绕着地球的卫星、空间站等,这些不属于深空探测,而属于近空探测,因为它离地球太近了,四五百公里距离。而深空探测的最低限度要到月亮,38万公里,所以月球探测是起点。在1957年,苏联发射了第一个人造地球卫星,引起了全球的震撼,这是空间时代到来的标志。


而1957年,我刚刚大学毕业不久,学校分配我去考副博士研究生。我们国家要工业化,一定要找到资源和能源,而工业化最重要的是铁和铜。但1957年的时候,我们年轻的共和国成立也还不到十年,百废待兴、一穷二白。我们当时没有能力发射地球卫星,更没有能力冲出地球,进入太阳系的空间。即使在这个时候,我们国家也很有远见地成立了很多庞大的、航天相关的公司和集团,比如后来的中国航天科技集团、中国航天科工集团,以及中国电子科技集团等。一个个集团的相继成立,说明国家下定决心一定要发展高技术。


我们国家的大方向抓得非常对。在1970年我们也发射了第一颗人造地球卫星,可以发射导弹、火箭、卫星,慢慢也可以发射飞船了。我们逐步加快速度,去追赶那些航天大国。


首先要解决探月技术问题,这是个根本,解决别人对中国人能力的质疑。但是去月球干什么?月亮上有什么科学问题?探索月球对人类究竟有多大的意义?这些问题都要进行严肃的讨论。


我发现当时没人论证、准备这些问题,在这种情况下,我就说那我来考虑一下。我是学地质的,对地球比较了解。地球、火星等八大行星都是太阳系的兄弟姐妹,是一个家族的。在了解了地球之后,就可以基本知道他的兄弟姐妹有哪些基因。虽然他们每个人生存的环境、地位不一样,每个人的个性也有不同,火星是这样,金星是另外一个样子,而水星又有一番样貌。但是我有地球科学的基础,再了解一些其他几颗行星,就能够知道到月球上该干什么,到火星上该干什么,能得到什么。


所以当时,我想应该怎么下手去做呢?最后找到了一个办法,从太阳系的起源开始考虑。太阳系是在银河系里面的一团星云慢慢地运动凝聚起来,最后形成了八大行星和整个太阳系。太阳系可能只是第一代,第二代甚至第三代星云,并不是最早形成的。宇宙有138亿年的历史,而太阳是50亿年以前诞生的。四周的尘埃、气体,都绕着太阳转,而如今这些尘埃气体呢?太阳年轻的时候火力很盛,而且温度很高,把星云里面的那些尘埃颗粒,都给融了。融掉以后,它们慢慢的在不同的轨道聚集起来,形成了现在的八大行星。


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太阳系的形成过程。球粒陨石是形成太阳系的原始物料。


所以我找到了形成太阳系最原始的东西,这个东西叫什么呢?叫球粒陨石。太阳系在星云里把这些尘埃都融了,然后慢慢冷下去,这些像水珠一样的东西慢慢结晶出来,在显微镜下可以看到一个个的小球。这些是组成地球等行星的原始物料。我要从根本上看看它们是些什么东西,有什么成分,是怎么形成的。有了这一步,好了,最后八大行星都是由这些东西组成的。

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我也测出了那些球粒陨石的年龄,大约是46亿年。在45.5亿年或者45.6亿年前,地球才开始从胚胎慢慢演化。这些东西组成现在行星。另外还有一些更小的碎块,也慢慢汇集起来,就在太阳系里面分布着大大小小的多极,我们叫做小行星。这些球粒陨石碎块聚集起来后,因为含有很多放射性元素而产生很高热量,小行星被融化了。类似炼钢炉里,重的物质往下沉,轻的往上浮。我们的地球、月球也经历了这样的过程。


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46--45.5亿年,太阳系行星形成


结果所有的小行星、月球、地球,它们的核心部分叫铁镍核心,是比较沉的物质,沉在化铁炉的底部,而上面的炉渣全是石头。所以,每一个小行星、卫星、行星,都经过这样的分异,把这些天体变成好多层。假如一个小行星被撞碎,它的核心部分形成的陨石就是我们后来找到的铁陨石;靠外侧的部分,有石头、有钢铁形成了石铁陨石;最外面只有石头的部分,形成了无球粒陨石。


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分异型陨石的来源(无球粒陨石,铁石陨石,铁陨石)


所以我就开始研究降落在中国的各种类型陨石。一种就是铁陨石,这种铁陨石的结构剖开后有一种花纹,这种花纹,是现在的冶金学家做不出来的。因为它的炉子是100万年一度、经历上亿年的冷却,最后凝固成为合金。这是天然炼出来的合金,人类无法仿制,这是铁陨石的特点。

   

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分异型陨石的来源


陨石是空间探测研究进门的一个很重要对象。从1958年,我就开始研究我们天上掉下来的各种各样的陨石。最有名的就是1976年,吉林降落了一次陨石雨,那是球粒陨石,是最原始的陨石,也是世界上规模最大的。着陆的时候,它通过大气层高速冲进来,一大块碎成了三个大火球,往最前冲,最后很多碎块噼里啪啦地掉在地上,降落在吉林市的北郊,分布面积大概500平方公里。当时国家组队,我带队去考察吉林陨石,发表了100多篇论文。

 

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之后我就慢慢做各种各样陨石的研究,开始了解月球、地球、火星最原始的物质是什么。后来这些物质融化再改变,会变成什么样子,它的历史我也可以大概知道。不用去月球,如果有一个小天体撞在月亮上砸了一个大坑,那些石头就会被粉碎后抛出来,当然99.9%要降回到月亮上去,但总有一些逃离了月亮引力,在太阳系里面乱飞,有机会掉到地球上来。


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现在人类已经找到了大概400多块从月亮上掉下来的月球的岩石,300块从火星上掉下来的岩石。同样的方法,我可以研究月球、研究火星。大家开始通过了解地球,从而推测月球的原始物质是怎么一步一步变成现在月亮上的样子。


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降落的陨石,找到的陨石


当时美国技术先进,可以派无人机飞到 40公里的高空去收集太阳系的尘埃,当时那个地方的那些尘埃都叫宇宙尘埃。中国没有这个技术,所以我们采取了另外的一个办法。在20世纪80年代初的时候,中国可以造出特别大的高空气球。大概有几层大楼高,底下吊了一个吊篮,那吊篮就是收集器。首先让它在北京放飞升空,放到了37公里的高空,一般飞机飞不了那么高,之后碰到西风带,就把气球就吹到太平洋,慢慢吹到了太平洋。之后开始抛沙,气球就变轻,继续上升到40公里的高空,和美国的无人机高度一样。


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行星际尘埃的收集与研究

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平流层(37km-40km)收集行星际尘埃


我们也带了很多收集器,也可以收集到高空的各种宇宙尘埃。从1958年开始研究,到1978年美国要与中国建立正常外交关系,双方确认在1979年1月1号中美正式建交。为了准备好建交事宜,美国时任总统卡特命令他的安全事务顾问布瑞金斯基到中国来访问,来商谈具体事宜。卡特总统有两样东西让他带给中国领导人,一样是一面书本大小的中华人民共和国国旗,并说,这是我们美国人把中国的国旗带上月球又带回来的。另一样是一条有机玻璃,里面有一块石头,有机玻璃本体做成了一个凸透镜,并说这是我们美国人从月球上采回来的样品。这两件珍贵的物品作为建交的礼品送给中国。


这面国旗是不是带到月亮上又带回来的无法考证,但这块样品,中国有没有哪位科学家可以做做验证,它到底是不是月亮的石头啊?于是中办打电话问了高教部,说大学里头有没有哪位教授研究过月亮的石头,回答是没有一个人做过。


后来又问中国科学院,中国科学院也说没人搞过。那怎么办呢?后来中国科学院想起来,说这儿有一个研究员,专门研究天上掉下来的东西,是不是可以让他来研究一下是不是月亮的石头。当时就通知我们去领这块石头。领回来以后,我非常高兴,因为有机玻璃是透亮的,可以直接看到里面这块小石头,大概有小拇指大小。


我组织全国相关的实验室,包括核工业部、冶金部和中国科学院的同志,共同来研究这块小石头。我分了一半送给北京天文馆,说你们好好展出,让中国人也看看什么是月亮的石头。


最后全国一共发表了14篇文章。后来美国NASA的官员遇见我说,欧阳,我们什么都没讲,结果你们全知道了,而且了解的比我们还多,你们还是有能力的。所以我也是这样一步一步的,完成这些工作。我当时还写了一些书,像《月球科学概论》,《天体化学》等等。另外也写了一些科普书。总之,我们从准备工作,一步一步地克服各种困难,从1958年最后到1993年,准备了35年,培养了一支队伍,建立了相关的实验室。我们中国除了能够到月球,火星以外,我们取回来的东西,也可以研究它的一些过程。

 

所以,我们向国家报告,中国现在可以去探测月球了。但国家说不行,你们要进行科学论证。我说要做什么论证?回复说,中国为什么要去探测月球,它的可行性怎么样,它的必要性又是怎么样?我们准备了一年多报告,结果863的评委说太好了,就中国有可能搞,而且有必要搞,完全可以搞成月球探测。论证通过后,国家还说不行,不能只发一次探测器,探测器发完后该怎么搞,你们还应该制定一个长远规划,分哪几步完成月球探测。我们又准备了一两年,做了各种调查,最后答辩的时候大家很高兴,就按这个办法,按这个规划去做。

   

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无人月球探测(2007~2020),分为绕落回三步进行


我们规划的第一步是无人月球探测。这又分三小步,第一,发射一个月亮的卫星,绕着月亮飞,飞一个月下来,月亮的一圈全看到,就能全面地了解月球。第二步叫落月探测。落下去对某一个重点地区进行精细的探测,可以解决更深入的问题。再下一步,取样返回,这些都是不带人的。


这些工作后来就被命名为嫦娥工程。嫦娥一号、二号是绕月探测,嫦娥三号、四号是落月探测,嫦娥五号、六号是取样返回,都是无人探测。有了这个基础后,载人登月、建设月球基地可以按这个基础做下去。后来国家又说,第一次到月亮上去干什么,有什么科学问题,怎么实现这些探测任务?又搞了一两年,就是研究中国月球探测的科学目标。我不懂技术,技术有专门的大企业去完成,我只负责其中的科学研究。后来成立了中国探月的领导小组,有栾恩杰院士作为总指挥,和孙家栋院士作为总设计师,又加了一个首席科学家,任命我去承担这个任务。这样我们三个人组成了一个集体,人们称呼我们为铁三角,就开始了嫦娥一号的探测。


中国探月工程的进展


2004年国家批准了月球探测规划,从无人探测到有人探测,再到载人登月、建设月球基地等等步骤,都获得通过。这样的话,我们的月球探测的进展比人家晚了四五十年,嫦娥一号2007年发射,是一个绕月的卫星。当时制定了嫦娥一号的科学目标,每一次月球探测,都要放一些特殊的仪器上去。另外我们比别人晚去了几十年,有好多活人家都干过,比如月球的全月球地图、立体图,人家干过好多回了。不管怎么样,因为我晚去所以要比你做得好才有意义。另外,月球表面有哪些矿物、有什么资源、怎么分布等等,人家也做过了。我们也要做这个,这是探测的基础,是任务的保底,但我们要比别人做得好。另外,要测地月的空间环境,我们也有新招,但是我总有一两样你们谁都没干过,这是中国的创新。我们嫦娥一号完成了一个艰巨的任务,看一下月球土壤里头有多少氦3,这是人类从来没有测出来过的。


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氦3有什么价值呢?现在人类的能源主要是煤、石油这些化石能源,还有各种各样的清洁能源,像水力发电、太阳能发电等。而核裂变发电已经出了好几次大事故了。下一步人类的一种终极能源,是学习太阳的核聚变能源。100多年以前,人们搞不清楚,凭什么太阳每天都光芒万丈?后来知道了,太阳上一直在进行大规模的长时间的氢弹爆炸。人类在世界上造出了氢弹,这是人类当前最大的杀伤性武器。现在人类意识到,未来人类的终极能源是利用氢弹爆炸这种方式来产生能源,叫核聚变发电。这个聚变发电可以产生巨大的能量,用氢的两个同位素,氘和氚。但是氚在地球上的储量不多,并且具有放射性。所以很想找一个东西替代氚。后来科学家们研究发现,氦有一个同位素叫氦3可以用来进行聚变。但地球上也没有氦3,氦3是太阳风给的,而月亮光秃秃没有大气,太阳风可以直接注入到月球表面的土壤里。


所以我猜月球表面月壤一定有很多氦3。最后用专门的仪器探测出来,全月球的氦3资源,大概有110万吨。看起来没多少,只有110万吨。相比之下,中国现在每年消耗石油3亿吨,煤20几亿吨。这些能源都是按亿吨来算,你才百万吨。但是假如核聚变发电能用上氦3的话,每年全世界的用量是100吨。月亮现在有110万吨,至少可以解决未来人类一万年的需求。所以嫦娥一号取得了很大的成功。这是我们做的最好的立体图,正面、背面的全部成分。另外还有月球土壤里的各元素浓度、总量、分布,我们全做出来了。嫦娥一号发射后,紧接着在2010年发射嫦娥二号。嫦娥二号在一号的经验上,直奔月球。


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月球全数字三维模型


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月球正面与背面月壤中氦-3资源量的分布(10^-9克/m^2)。全月储量约103 ~ 129万吨。


嫦娥一号花了一年零三个月才完成任务。嫦娥二号大概半年全部任务完成,它飞得更低,做出来的图分辨率最高。全月球的地形地貌的立体图和平面图的分辨率达到七米。现在全世界都用中国的图。另外呢,由于嫦娥二号仅用半年就完成全部任务,可以让它干点别。后来刚好有一个小行星朝地球飞来,这是人类刚刚发现的,仅仅给它取了个名字,但是不知道它有多大、什么样子、会不会对地球造成威胁。曾经因为一个小行星撞在地球上,导致了全球的生态环境的崩溃,灭绝了100多万个物种,包括恐龙。而现在又有一个小行星来了,后来大家同意,走,去探测这个小行星去。因为小行星还没到,所以第一步走到离地球150万公里的地方,针对太阳监测了235天,人类得到有史以来最丰富的太阳活动探测结果。


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嫦娥二号全月球数字影像图在空间分辨率、影像质量、数据一致性和完整性、镶嵌精度等方面优于国际同类全月球数字产品,是目前最高水平的全月球数字影像图。


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2011年8月25日23时27分,经过77天的飞行,嫦娥二号首次实现从月球轨道出发,受控准确进入距离地球约150万公里远的、太阳与地球引力平衡点——拉格朗日L2点的环绕轨道。第一次实现我国对月球以远的太空进行探测;我国第一次开展拉格朗日点转移轨道和使命轨道的设计和控制,并实现150万公里远距离测控通信。

  

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嫦娥二号在 L2点的环绕轨道运行了235天,积累了大量对太阳的探测数据,于2012年4月15日受控飞向距离地球大约1000万千米深邃的太阳系空间,择机开展对4179 Toutatis号小行星的探测,为未来的小天体探测积累经验。


完成这个任务以后,小行星快要朝向地球飞过来了,我们命令嫦娥二号跟它见面。此时小行星距离嫦娥二号1000多万公里。嫦娥二号大概要飞1400多万公里,而且要给它一个严格的要求,即嫦娥二号与那个小行星见面的时候不能隔得太远,不能超过一公里,以便能拍张清楚的照片。同时也要控制距离不能隔得很近,卫星撞上去后就会撞碎了。这个太难了,从1000多万公里的远方飞近,让两个人在那儿见面,且间隔只能在一公里以内。最后,嫦娥二号做到了,我们的测控很准确,最后以860米的距离擦肩而过,拍下了照片。


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2012年12月1日3嫦娥2号在距离地球702万km处与4179小行星交会。探测小行星的形状、大小、结构等。相对速度 10.73km/s,交会距离870m,最高分辨率 10m,小行星的大小为 4.46 X 2.4km


这个小行星像个花生。它的大头的直径是2.4公里。尺寸还是挺大的。如果真的撞上地球,是一次大的灾难。最后嫦娥二号完成任务,现在它已经飞向远方,在绕太阳飞行,成为一个人造小天体。我们一直在祝福嫦娥二号一路平安。大概2029年,它还要飞到地球附近,那个时候再跟它对话,听它诉说沿途的艰难。


紧接着发射嫦娥三号,嫦娥三号要落下去,在2013年12月发射的。上面有一个月球车,沿着轨道走下来。它落下去的过程中,地球上没办法控制它,因为落下去的速度越来越快。如果控制不好,一下就会撞到月面上,撞得粉碎。所以我们采取的办法是利用高度的人工智能,让它往下飞,飞到100米高的时候停,让它自己找个安全的地方落下去。在100m高度的地方,它会悬停拍照找地方降落,但这个过程它来不及把图片发给我们,让我们决定如何降落,一切只能由它自己的计算机判断决定。它折腾来折腾去,拍了1400多张照片,最后自己选了一片区域落下去,四条腿扎实地落在一个平面上。

 

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 嫦娥三号主动避障运动轨迹


它为什么不能发给我们判断?它发过来的信号要1.3秒才能到地球。等我收到这张照片,要看一下后选一个地形,朝左挪还是朝右挪,至少得十几秒钟,再告诉它又要1.3秒,它早掉下去了。所以它现在完全自主的,就在100米高转来转去,最后自个决定,平稳地落下去。最后就安全地着陆在雨海海边的一个海湾。那个海是伽利略取的名字,伽利略用望远镜看到一块黑的区域,他以为那是月亮的海洋,但其实他错了,那是巨大的平原,是火山喷出来的熔岩流覆盖起来的结果。就是我们看到的那个像嫦娥、桂花树一样的一块一块黑斑,但那不是海洋,而是玄武岩流淌下来覆盖的平原。安全落地后,着陆器上释放了一个月球车,着陆器上有四台仪器,其中有一台望远镜,这是人类第一次在月亮上观测天文。另外还有一台望远镜监视地球外面的各个层位,以便知道月球会发生什么,地球会发生什么样的环境变化。

 

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着陆器及携带的探测器


我们这个月球车叫玉兔一号,他在月面一边走一边探测,用照相机分析底下的土壤石头的成分,另外还带了一台雷达,它一边走一边往下发射雷达波,这样的话通过雷达波的折射反射,可以探测底下一共分了多少层。这都是世界上首次去完成的。最后嫦娥三号取得了大量的成果,我们就请求国际上批准,嫦娥三号着陆的地方命名为广寒宫。另外,它外面还有三个大坑,我们用中国古代的28星宿的名字命名了三个。我们把广寒宫也搬到了月亮上,这个国际上都要承认批准。所以月亮上现在有一个命名为广寒宫的地方。 


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月兔号月球车及携带的探测器

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月球上的广寒宫


嫦娥四号的任务是着陆到月球背面。嫦娥之前,人类在月球上着陆20次——美国有11次,苏联有8次。中国的嫦娥三号也着陆在月球的正面的雨海。嫦娥四号要着陆到月球背面。


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嫦娥四号实施月球背面首次着陆。美(11)、苏(8)、中(1+1) 


什么叫月球背面?我们每天看到的月球,都是月亮的一半,谁都没见过月球的另一半儿。月亮会自转,月球自转一圈跟绕着地球公转一圈的时间相等,导致在地球上看月亮,永远只能看到半边,我们叫正面朝向。没有人在月球背面着陆过,嫦娥四号是人类第一次着陆到月球背面去。下图左边是月球的正面,比较平缓,平原比较多。背面的山形比较高,地形陡峻。


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此外,我们无法与月球背面的探测器通讯。看不见也不能通讯,因为全被月球正面挡掉了。只有一个办法,发射一个月球的卫星到那个位置。那里叫拉格朗日L2点,它正对的是月球的背面,同时还能看到地球。这样的话,可以把地球的指令转发给月球背面,也可以把月球背面的情况及时地向地球汇报。所以我们把这个中继星取名为鹊桥,就是牛郎织女见面的那个鹊桥。


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中继星“鹊桥”号运行于地月拉格朗日L2点,将地球与月球背面构成畅通的通信链路


这是2018年发射的,人类第一次着陆月球背面。我们不敢大意,因为到处都是高山峻岭。我们直着奔下去,着陆在月球背面最大的一个撞击盆地里。这个撞击盆地的那个小坑呢,叫冯卡门撞击坑,冯卡门是一位科学家的名字,他是美国加州学院的一位教授,也是钱学森先生在美国念书时候的导师。


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为什么要落到这个地方去?因为月球的历史有两个非常重大的,几十年以来都无法解决的问题,一老一新的问题。月球诞生45亿年,但是月球所取到的东西、所进行的探测,看到的全是40亿年以后的内容。最初的五亿年月球发生了怎样的演化,发生过什么事情,科学家们不知道,为什么?全被40亿年后的活动覆盖了。而月球背面的这个艾肯盆地里面的一个撞击坑是40亿年以前砸的,它一定把40亿年以前的东西都给撞出来了,所以我有可能找到41亿年、42亿年前的老月亮的历史。它就降那儿去了,最后我们找到了古老的岩石。


嫦娥四号,解决了左边红虚线的任务,要找40亿年到45亿年的岩石,把月球的古老的历史恢复起来,这是月球上一个最难的科学问题。同时,月球还有一个科学问题,现今所有的记录,只到30亿年以前,而30亿年到今天,月亮经过些什么重大事件,并没有真实的探测数据。所以嫦娥五号我们选的地方一定要有可能找到年轻的岩石,把月球的历史重写,把月球研究中一老一新的问题补充进去。


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嫦娥四号就落在五角星所示的大盆地里。你看我们找到的这些石头。另外,因为10m以上波长的电磁波在天文上属于超长波的范畴,但却是人类活动的常用频率。地球上的电离层可以屏蔽掉这个波段的电磁波,因此在月球背面进行超长波探测能够有效地屏蔽地球上民用设备的干扰,得到更好的观测效果。


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嫦娥四号的落地选址

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嫦娥四号任务后,我们又在国际上申报了取名。它着陆的地方叫天河基地。天河的正规叫法就是银河。月亮上另外只有一个基地,叫静海基地,做了重大的事件才取得基地的命名权力。静海基地是阿波罗11着陆的地点,而天河基地是人类第一次着陆到背面的基地。大家都知道,王母娘娘用编头发的东西画了一下,画出一条天河来,把牛郎织女隔在两头,每年七月初七,牛郎织女才能见面一次。所以在天河基地的两侧,一个是织女坑,一个是牛郎坑,还有一个天津。刚好在那个撞击坑里头还有一座高山,我们用中国五岳中的首岳——东岳泰山命名。所以命名了五个地点,这些在国际上被承认了。 


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紧接着,我们发射了嫦娥五号。嫦娥五号的目标,是要把样品取回来。嫦娥五号到底落到哪儿去?我们想着能不能找到更年轻的岩石记录。当时全世界的科学家有一个办法,假设小行星撞击月球的概率相等,但如果单位面积上的月球坑密度比较大,那这个地方一定比较老,砸的坑比较少,这块地方可能年轻一点。但年龄到底多少却无从知道,只能知道相对年龄。


全世界研究了好几十年没有办法解决。最后,我们也做了研究,确定了那个风暴洋的西北边,可能有新的陨石坑。嫦娥五号是去年11月24号发射的,嫦娥五号的技术太复杂了,要从地球发射落到月亮上,采完样品又要起飞回地球。所以它两次发射,两次着陆,另外它还要自动交会对接到月面,还要打钻取样,带回来1731克样品。


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左上角的CE5是嫦娥5号着陆选址


回来的时候如果直接冲进地球,在大气的作用下,带的样品仓会全被烧掉,所以我们采取了一个办法,冲进来后控制它往上跳出大气,再入大气,就像小孩儿打了一个水漂,打进水里头再冒上来。这个过程中样品仓的速度就变慢了,最后落到内蒙古。就这样,现在全部样品在我们大楼底下的地下室,用一个非常现代化的氮气仓保管着1000多克的样品。


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我们国家做了非常精彩的工作,最近我们公布了嫦娥五号的样品。我们花了大概二三十天,就在《自然》、《科学》,以及我国的《国家科学评论》等杂志上,发表了五篇文章。我们测出来的月壤年龄有些是19.6亿年,有些是20.3亿年,平均起来也就是20亿年左右。


这是月球上破天荒的大事儿。之前,月球的历史只记录到30亿年,现在居然能够记录到距离现在20亿年的岩石,找到了那个时候火山喷出来的东西,证明那个时候月球还是活的,内部还有能量进行火山喷发,证明那时月球还没有完全死亡。月球跟人一样,有诞生、青少年的时候,也有老年老态龙钟,最后死亡的过程。月球的死亡是指内部没有了活力。月球一死,内部就没有电流运动,导致它的磁场也丢了。


月亮以前跟地球一样,有一个南北极的磁场,但现在也没有了。月震也几乎没有了,有也只是很小的规模,火山几乎也停止了。但到底什么时候停止的?原来说30亿年,现在明确地说月球的生命可以延长到20亿年前。我们对月球历史的研究确实发挥了重大的作用。我们又在嫦娥五号着陆的地方取了八个名字,包括南岳衡山,西岳华山,以及中国古代的一些科学家的名字。另外也命名了一个基地,叫天船基地。这些全部被批准了。


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总之,通过环月探测、着陆探测、月球车探测、月球取样返回,我们积累了载人登月的经验。所以到2030年,我们在基本上完成了不载人的月球探测任务以后,要逐步地建设月球科学研究平台,择机实施载人登月。先要建设没有人驻留的基地,然后人再参与开发利用月球的资源。


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我们中国刚一宣布这件事情,俄罗斯赶紧跟中国联系,说中俄两国要联合建设,中国同意了。所以在今年3月9号,中俄宣布联合建设国际月球科研站,并向其他国家开放。这样的话,我们大约在2036到2045年间,建成一个综合性的月球基地,实现人类长期驻留,全面地完成大规模科学探测任务和技术试验任务,另外开发利用月球的资源。


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到底月亮对人类有多大的价值和意义。早在20世纪60年代,时任美国总统肯尼迪,说谁控制了太空,谁就控制了地球。现在美国人又说,谁控制了月球,谁就控制了环地球的太空。

 

另外,月球表面的能源非常丰富。比如说月球的太阳能,每年照射在月球上的太阳能,相当于我们人类每年产生总能量的2.5万倍。因为它表面没有空气,白天的温度110多度,晚上零下190度。所以假如能够开发月球上的太阳能,将会有巨大的能量来源。很多科学家都在想,能不能在月球上建一些太阳能发电站,向地球传输能量。更有科学家设想在月球的赤道上建一根太阳能发电站的腰带,大面积铺设太阳能发电板,它转一圈11000公里,宽400公里,让机器人利用月球土壤去生产太阳能发电板。因为月壤与太阳能发电板的成分很类似,然后铺设好,这样就永远有半根腰带被太阳照射。所存积的能量,可以从月球上直接用激光或者用微波,发射到地球上来,地球接收站接收以后把它转化为人类使用的能源。


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月球上白天和黑夜都相当于14个地球日,可获得极其丰富而稳定的太阳能。通过激光、微波传输,地球上的接受系统通过地面天线接受能束,再将其转换成电能。


有科学家详细计算过,这根腰带太长,整个转一圈要11000公里,它工程太浩大。一边建几个太阳能电站就可以了,这样的话有可能满足地球全人类的需要。地球上以后利用月球的太阳能,这是最清洁,最环保的能源。另外刚才说了,月球土壤里面的核聚变原料氦3至少可以供人类未来用一万年。


第三,月球的资源。月球确实有很多宝贵的资源,比如稀土。我们中国盛产稀土,但是月球上的稀土比中国多多了,还有铀矿、钍矿,还有钾肥。但是在月球上开矿成本太高了。我们现在都调查清楚了,月球上有哪些资源,分布怎么样,有多少吨等。虽然含量很丰富,但利用前景不一定非常乐观。


另外它的特殊环境,月亮的环境条件特别恶劣,第一没有大气,超高真空,第二没有磁场,第三,月球上一个白天有半个月,一天就是一个月,月亮的一年只有12天。另外呢,月球表面白天的温度100多度,晚上零下190度。这么恶劣的环境有它的价值,我们在地球上创造高真空的那个环境,绝对没有月亮表面好。另外,月球上无磁场、弱重力的条件,对于生产一些生物制品、一些特殊材料,是最好的地方。


最后,月球也可以作为向太阳系更深处迈进的一个转运站,因为月球的引力只有地球的1/6。


火星探测是热点


第三部分我讲一下火星。人家1960年就去探测了,到今天为止,全世界一共发射了51个火星探测器,成功了26个,刚过一半,证明探测火星难度很大。不像月球一样,所以月球探测是起点,火星探测是热点。现在我们中国也参加到这个行列中,我们中国的探测器叫天问一号。


火星探测主要有哪些问题呢?在太阳系里面,最可能有生命的其他行星是火星,因为他是地球的亲兄弟,就在地球隔壁。火星曾经有过水等等证据表明,它一定孕育过生命。过去美国的大片里有火星人大战地球人的桥段,很多科幻小说也都写马丁叔叔等等。很多人对火星上存在生命怀着极大的期望。直到现在,火星的生命探测仍然是一个热点。这50来次,主要的目标是探测火星的生命,另外还有火星本体的科学问题,比如它的大气很稀薄,只有地球大气密度的1%左右。另外火星大气层的成分也不好,主要是二氧化碳。另外它现在老态龙钟,接近死亡了。因为他个儿小,能量少。所以地球目前还在壮年期,但火星很快会步入到死亡的状态,只剩下一个躯壳。


此外,火星探测还想解决另外一个重大的问题。我们的地球也有很多潜在的威胁,科学家一直在思考,能不能把火星改造变成第二个地球,以后可以移民到火星上去。这样我们人类有两个栖息地,即使我们毁了一个,如说人类的核战争,也有第二个居所。


火星的探测过程中还有一个难点,月球探测一个月有一次发射机会,可以到达目的地。但火星探测两年零两个月才会有一次机会。火星跟地球、太阳的夹角在四五十度的时候,此时在地球发射探测器,探测器沿着这条绿线飞行(霍曼转移轨道),大约一亿五千多万公里,最终到达火星的轨道。因为探测器大约要飞七个月左右,才能飞到轨道的交汇点。所以,火星并不是任何时候能去。2020年7月这一个月左右的时间刚好可以发射火星探测器,当时有三家发射,中国、阿联酋和美国,都是在这个月发射。


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天问一号在2020年7月23号发射,它最大的特色是什么?有两个,一是有一个载着火星车的着陆架,一起着陆在火星后这个着陆架就作废了,火星车就在火星表面一边走一边探测,叫祝融号火星车;还有一个卫星绕着火星飞,全面探测火星。天上地上联合起来探测火星。


我们的探测器刚刚经过了凌日现象。就是火星运行到太阳和地球连线的背面,我们根本看不到也联系不上探测器。我们着陆在乌托邦平地,是火星过去的海洋。海边比较平缓,这乌托邦平原美国一共着陆了八次,我们现在也是在美国着陆这个附近。我们是第一次去那么远的地方,为了保险起见,要找一个平的地方降落,不要最后因为地形的原因,着陆时倾倒侧翻。


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可以看到月球车只有两个翅膀,一边一个,而火星车有四个翅膀,为什么?因为火星在地球的外边,共同绕太阳转,所以太阳能的能量密度比地球小多了,因为它离太阳比我们远5000万到1亿公里,所以它的太阳能发电板就要大。


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我们规定了火星探测的各项任务,现在正在实施。现在的进展一切正常。虽然我们已经找到了200多个火星来的陨石,但是很遗憾,我们并不知道这些石头来自火星的什么地方,所以对于科研来说用处不大。现在人类还没有从火星的某一个确切位置取回任何一块样品。美国要在2025年,下一次发射的火星探测器把样品带回来,我们中国也要到2030年把火星的样品取回来。


现在对于火星最热门的问题,是把火星改造,让它成为人类第二个栖息地。从1998年开始,很多国际会议都在讨论,如何把火星改造成为第二个地球。马斯克提出,科学家们太啰嗦了,要花几十年到上百年才能把火星改造成为能够人类居住的地方,他说用一万个氢弹,把火星两极的冰融化,这不就很快了吗?但科学家还是有稳步前进的办法,大概要经过七个步骤才能向火星大量移民。


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我也写了一本科普书,叫《再造一个地球》,就是人类通过长期的努力,把红色火星逐渐地改造成为绿色的火星、蓝色的火星,人类就可以直接在火星上生存,进行大量移民,让火星变成人类的第二个栖息地。总之,通过人类的智慧和努力,火星完全能够被改造成为生机盎然的小地球,再现青山绿水,成为人类的第二家园。火星早期有水,有海洋,有湖泊,而且可能存在生命。火星改造完了后,也在太阳系的宜居带里,这样的话,就更增强了人类改造火星的信心和决心。也许通过人类一个世纪的卓越努力,可以将这个贫瘠的行星改造成为一个拥有蔚蓝色的天空、绿色平原、蓝色湖泊,生态环境友好的新世界。


小行星探测是亮点


2012年嫦娥二号去探测的小行星叫4179号,现在已经有了一些资料了。我们人类最发愁的是近地小行星。看起来地球外面好像很开阔,但其实有大量的小行星就在地球的外围。难以计数的小行星里,有一万个直径大于20米的近地小行星,它们走得不太规矩,所以科学家们很忧虑,这对人类会造成巨大的威胁。通过这些年望远镜的观测,在地球附近大概找到了18000个这样的近地小行星,其中直径超过一公里的有800多个,一撞上地球就要造成巨大的灾难。我们下一步准备去探测近地小行星,找一个近地小行星后,伴飞、降落、取样返回。这些都已经安排了。

 

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多目标近地小行星探测首次小行星深空探测任务将依次对三颗对地球有潜在威胁的近地小行星进行探测:对12711号Tukmit小行星进行飞越探测;对99942号(Apophis,2004MN4)小行星进行伴飞探测;对175706号(1996FG3)小行星进行伴飞和附着探测。


然后再去火星,火星外面有一个小行星带。这个小行星带里面全是各种小行星,围绕着太阳转,虽然很难撞我们地球,但它是一个小行星的库,有非常多各种类型的小行星,里面还有彗星。我们中国准备飞到那个小行星带去探测小行星。


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美国可能要在最近两年发射一个探测器撞靠近地球的小行星。事先设计好轨道,撞击可能威胁地球的小行星,让那个小行星略微改变一下轨道,这样的话可能与地球擦肩而过。


火星外面还有四个大的行星,木星,土星,天王星,海王星。我们现在已经有计划,要进行行星际之间的穿越探测,这是一个难点。我们主要要去的是木星,木星有69个卫星,挑了两个,木卫二、木卫四进行探测。


特别是木卫二,那儿离太阳太远,温度有零下200来度,所以这个行星表面全是冰。但是冰上发现了很多裂缝,这些裂缝里还冒水,证明底下有海洋,这个海洋里面发现有火山爆发。

 

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生命的诞生,有三个前提就可以。一个有液态水,第二有能量,第三水里有组成生命的碳氢氧等元素。哪怕最原始的生命也是生命。太阳系里面没有外星人,但是有没有最原始的生命呢?大家很关注。所以我们要到木卫二去探测,这个木卫二的海里面和海底可能有一些生命存在,科学家们寄予极大的希望,所以我们中国要进行木卫二的探测。


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总之,我们编制了一个初步的计划,最上面是火星探测,下一步我们要到火星取样返回。另外对于小行星,我们首先要做近地小行星,再去做小行星带的小行星。当然美国还有一个计划,把一个小行星抓到月亮附近去开采资源。每年开采出来的效益相当于全人类一年的GDP,所以这是非常好的一个小行星。当然这存在一个严重的法律问题,所有的天体是全人类的财富。


我们中国将要向太阳系的星辰大海不断地挺进,将来我们要为中华民族的伟大复兴,要为我们建设一个伟大的强国而开展深空探测。今年5月28号,在两院院士大会上,习近平总书记说,深空探测是科技的制高点。我感到很受鼓舞。是,这是制高点,我们一定要去占领这个制高点,一定要在太阳系的星辰大海不断地推进。这样的话,为我们中华民族的伟大复兴,为我们建设一个伟大的社会主义强国贡献力量。


我们大家共同努力,我们的目标一定能够实现,一定要向太阳系的星辰大海挺进!


作者简介

欧阳自远:中国科学院院士、发展中国家科学院院士和国际宇航科学院院士,我国陨石学与天体化学领域的开创者。现任中国科学院地球化学研究所研究员,国家天文台高级顾问。


1993年以来,主要从事中国月球与深空探测的近期目标与长远规划的制订,设计我国首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标,是中国探月工程的首任首席科学家,现为月球探测领导小组高级顾问。


欧阳自远院士长期从事陨石学、月球科学、地球与行星科学研究60多年,成果获国家科学大会奖、国家自然科学奖和科技进步奖多项、贵州省最高科学技术奖,中科院自然科学一等奖和科技进步一等奖、工信部科技进步特等奖、国家科技进步特等奖等。



演讲者:欧阳自远

整理:John;审读:王佳

排版:John