漫遊宜居帶——地球和它的鄰居們
地球是我們唯一的家園，也是整個宇宙中唯一確證有生命的星球。這顆蔚藍色的星球，藍天、白雲、綠樹、紅花，生機勃勃，承載了人類一切的的悲歡離合和希望。
我本科學的專業叫“環境保護”，環境保護裡最重要的一句口號，就叫“只有一個地球”。我們只有一個地球，所以我們要保護好這顆星球。如果說真的有哪一天地球被破壞了，我們還有沒有其他地方可去？那麼我們先來看一下我們的太陽系。
太陽系有八大行星，我們的地球是第三顆行星，在這第三顆行星上誕生了生命。地球所處在的一定寬度內，被稱為太陽系的宜居帶，也就是離太陽不遠不近的地方。這裡的溫度正好允許水有三態——固態、液態和氣態，而這樣的情況下才有可能有生命。
第二顆行星金星，西方叫作Venus，即美神和愛神。但實際上這是一顆狂暴的行星，是一個地獄般的行星。它上面的溫度是460攝氏度，大氣壓是地球上的90倍。我們的航天器登陸金星大概只能活三分鐘，很快就沒了。而且金星上面遍地是火山噴發，岩漿流動，下的都是濃硫酸的雨——這是一個不可能適宜生命生存的星球。剛剛前不久說金星上可能有生命，但是大家應該仔細看看那篇論文，那篇論文上說的是金星上空五六十公里的高度上可能有生命。因為只有五六十公里高度的溫度才足夠適宜，才有可能有生命，而且基本上也不大可能。結果過了沒多久那篇文章又承認可能有問題，不一定是跟生命訊號有關係，有可能是資料處理的問題。
那麼我們只好從地球向外找，先去月球，然後去火星，沿途來看一看。
首先來看一下我們生活的地球。
地球和火星的大小對比
這是地球和火星的真實大小對比。火星的直徑是地球的一半，月亮的直徑是火星的一半。火星的引力是地球上的1/3，月亮上的引力是地球上的1/6。所以在火星上還能夠勉強的像在地球上一樣走路；如果再輕一點，引力小一點，我們已經沒法走路了，可能要蹦蹦跳跳一樣的走了。但相比於太陽，地球的大小隻有它的130萬分之一，我們太陽系的整體質量中，太陽的質量就佔了99.86%，其他的行星和小行星都是微不足道的。
暗淡藍點
這張圖上的白圈裡面有一個小點，就是我們的地球。這曾經是航天史上影響最大的一張照片，叫“暗淡藍點”。1990年的時候，“旅行者號”離開地球已經13年了，當時很多人擔心它有一天會跟我們地球失去聯絡，希望它能夠在終斷跟我們之間的聯絡之前，回望一下地球，給我們的地球和太陽系拍一張照片。結果那張照片裡面只能看到一個很大的太陽，但是我們相信在它的周圍一定有地球，所以終於在它的旁邊找到了，原來它是如此的渺小，甚至在這裡面你都看不到月亮在哪裡。這張深具哲學意味的照片，讓我們狂妄的人類現出了原形，原來我們是如此的渺小，懸浮在陽光中的一個塵埃一般的星球。卡爾·薩根為此寫了一本書，叫《暗淡藍點》；還有一個同名的紀錄片，都是深具哲學意味。
月亮上的月海
月亮是地球的天然衛星，是離地球最近的天體，也是人類從地球出發走向深空的一個前哨站和中轉站。月亮上有一些黑色的地方，叫“月海”，比方說大家常說的“玉兔”其實就是一片兔子形狀的月海。1609年，伽利略用望遠鏡看月球時，以為這些黑色的地方都是海洋，所以把它們稱作“月海”。實際上月海里面都是岩漿冷卻之後形成的黑色的熔岩平原，並沒有水。
“嫦娥三號”實現月面軟著陸
2013年，中國的“嫦娥三號”著陸在月球上“虹灣”的東面、“雨海”的西北角。2019年，“嫦娥四號”登陸在了月球背面，它刻下的這一道輪痕是人類歷史上第一次在月球背面的痕跡。2020年， “嫦娥五號”從月球取樣返回。中國的探月工程隊伍經過十幾年的努力，在我們強大的綜合國力的支撐下，實現了繞、落、回三步走的任務，我們有理由為此感到自豪。
漫漫求索路——人類認識火星的歷程
接下來來看看我們今天的主角，就是火星。
從2020年中國發射“天問一號”火星探測器以來，很多人都對火星很關注。我們覺得火星變火了，但實際上火星不是現在才開始火的，它一直都很火。自人類社會產生以來，因為顏色與眾不同，人很容易就會注意到火星，並對它產生好奇。所以，火星並不是現在才火起來的，而是一直都很火。在羅馬神話中，火星象徵著戰神——馬爾斯，如今火星的英文名稱Mars就源於他。在北歐神話中，火星代表了戰神提爾（Týr），每週“星期二”（Tuesday）的名稱就來自於他。而在希臘神話中，它是以殘暴、血腥著稱的戰神阿瑞斯（Ares），奧林匹斯十二主神之一。星期二也是拜占庭帝國的君士坦丁堡失守的日子，希臘人把它視為一週中最不吉利的日子。
在中日韓等東亞地區，金、木、水、火、土這五顆夜空中肉眼可見的行星，加上白天和黑夜最亮的星球——太陽和月亮，合稱“七曜”。一星期以“七曜”分別命名，星期二叫火曜日，日本至今仍在沿用。星期天，太陽日，就是Sunday；星期一，月亮日，就是Monday。
航天時代以前，我們主要藉助於望遠鏡來對火星進行觀測，雖然望遠鏡的解析度不高，但也獲得了很多新的發現，甚至在這中間還鬧出了很多小的橋段。我們原來以為火星上有人、有生命、有運河、有農業，後來我們認識到其實這些都不存在。但是我們又重新認識火星，發現火星上可能會適宜生命的存在，我們有可能會移民到火星上。
地球繞太陽一圈需要365天，火星繞一圈大概需要687天。地球上能夠形成四季，是因為地球的自轉軸是傾斜的，這個傾斜是23.5度，而火星的自轉軸的傾斜是25.2度，兩者非常接近，所以地球上有一年四季，火星上也有一年四季。
1877年繪製的火星地圖
1877年出現了一個機會，叫“火星大沖”，也就是太陽、地球、火星在一條直線上，那時候從地球上觀測火星特別清楚。當時畫出來的火星地圖上有一些很明顯的直線條，引起了全世界的轟動。
當時人們認為這些直線條一定是人工挖掘形成的，把它們叫做“火星運河”。有一個房地產富商叫羅威爾，連房子都不蓋了，就專心研究天文學。他自己投資建了一個羅威爾天文臺，購置了當時最好的天文望遠鏡，僱傭了天文學家進行觀測。他甚至還寫了三本書，說火星人在兩年間緊急挖了兩條運河。因為他在兩年前看的時候，那兩條運河還沒有，過了兩年之後，他發現多了兩條線，就說火星人一定是遇到了一些難以避免的巨大旱災，又緊急挖了兩條運河，從北極南極引流冰雪融化的雪水，來灌溉赤道地區的農業。如果他們挺不過這次旱災，他們就將出動大兵來進攻地球。後來發現這幾本書的內容都是錯的。
千帆相競發——各國探測火星的征途
接下來我們來看世界各國探測火星的征途。
地球軌道和火星軌道
從地球上出發去火星，就像我們在操場上，從第三條跑道出發去追第四條跑道上的人，所以一定是他跟你之間存在一個角度的時候去追是最省距離的。因此從地球出發去火星，每隔26個月才有一次機會。當航天器從地球出發的時候，火星在地球的正前方44度。這個時候從地球上發射，七個月之後，航天器才會抵達火星。這時候火星已經被地球甩在後面了，因為火星比地球要走得更慢。上圖中間那條綠色的軌道就是航天器出發從地球去火星的軌道。這條軌道是德國的物理學家霍曼在100多年前發現的，被稱為霍曼轉移軌道。
1964年，“水手四號”拍攝的火星表面照片
從1960年起，人類就開始了探測火星的征途，但最初都以失敗告終。直到1964年，“水手四號”才成功飛越火星，傳回了一張模糊的火星表面的照片。1976年，“海盜一號”和“海盜二號”兩個雙胞胎探測器第一次在火星著陸，帶來了更加清晰的照片。
1976年，“海盜一號”拍攝的火星表面照片
我們對於火星的探測已經有40多次任務，這些探測任務總共分為三類：環繞火星進行運轉的軌道器（Orbiter），還有著陸器（Lander）和火星車（Rover）。三類探測器從火星的上空到火星著陸，再到火星上進行巡視探測，使我們對火星的認識程度越來越深刻。到現在為止，已經有四輛火星車登陸了火星，目前在火星上還有一輛火星車正在工作，這輛火星車的名字叫Curiosity，即“好奇號”。
各種型別的火星探測器
迷霧漸飄渺——揭開火星的面紗
地球與火星的地形比較
如今，隨著一次次探測任務的完成，人類對火星有了更多科學的認識，也慢慢揭開了火星神秘的面紗。
和地球上一樣，火星表面也存在大洲和大洋，只不過火星的大洋現在是沒水的。但在過去環境適宜的時候，火星上的大洋曾經有水。火星上最高的山是奧林匹斯山，高度有22000千米，相當於珠穆朗瑪峰的3倍。
奧林匹斯山（火星）與珠穆朗瑪峰（地球）的比較
歷史上的火星曾經溫暖而溼潤。“好奇號”拍攝的這張圖片，實際上曾經是一個湖泊。這個湖泊已經幹掉了，留下了湖底的沉積物。可以看到湖岸上有一條被河流沖刷的痕跡。
“好奇號”拍攝的火星湖泊（箭頭處是河流沖刷的痕跡）
“鳳凰號”著陸腿上的露珠
即使現在，火星上也有水存在。“鳳凰號”探測器著陸腿上凝結的露珠，說明火星的大氣中有水存在。火星的大氣中還存在甲烷，但這些甲烷是否是由生物形成的，目前還不得而知。
問天何所沓——中國探索火星的征程
“隅隈多有，誰知其數？天何所沓？十二焉分？”2300年前，著名的愛國詩人屈原在《天問》中用388句詩提出了177地球、對宇宙、對人類社會的各種問題，代表了我們中國的古人對未知世界孜孜不倦的探索與追求。2300年後的2020年，中國的行星探測計劃被命名為“天問”系列。“天問”計劃不僅要探測火星，它是對整個太陽系的行星和小行星的探測計劃。
2020年的7月23日12時41分，“長征五號”在海南文昌航天發射中心，帶著藍色的火焰冉冉升空，將“天問一號”送往火星。“天問一號”總共要飛行四億多公里，將在2021年的2月份抵達火星之後並被其引力捕獲。
“天問一號”由多個部分組成，包括可同時進行遙感探測和通訊中繼的軌道器，以及能夠計劃在2021年5月份實現軟著陸的著陸器和置於其中的火星車。從著陸器進入火星大氣到著陸只有短短七分鐘，但是火星上的訊號傳回地球，視火星到地球的距離不同，需要十幾到二十分鐘。因此這個過程無法透過地球上的人進行實時干預，只能靠航天器的自我操作。正是因為這個極其艱鉅的挑戰，目前世界上僅有美國成功實現過火星軟著陸，其他國家的著陸器在著陸過程中都墜毀了。如果“天問一號”任務成功，我國將成為世界上第二個成功登陸火星的國家。
“天問一號”的火星車和著陸器
現在的火星還是一個荒漠行星。未來20年人類將首次登陸火星，未來50年我們可能在火星上有一個小鎮，未來100年，我們在火星上可能會有一個百萬人口的城市，未來1000年，我們就有可能把火星改造成一個像地球一樣的行星。這些以前聽來是科幻的事情，如今離現實已經越來越近了。到那時，人類的搖籃地球也將成為人類的故鄉，地球的衛星月球，將成為永不墜落的天然空間站。最像地球的行星——火星，則會成為太陽系文明的重要分支。
鄭永春：中國科學院國家天文臺研究員，行星科學專家，科普作家，中國科協月球與深空探測領域全國首席科學傳播專家。曾獲得“全國十大科學傳播人物”、中國科技新聞學會科技傳播獎等。2016年獲美國天文學會“卡爾·薩根獎”，成為獲得該獎的第一位中國科學家。
演講者 | 李向陽
文字整理 | 劉朝亮、王佳
排版 | 貓擼火鍋