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月球探测的进展与我国的探月行动
欧阳自远院士
讲座（一） 讲座（二） 讲座（三）

　　我现在来集中介绍一下我们的月球。大家知道这是用望远镜看到的最清晰的月球，人类在地球上永远只能看到月球的正面，看不到月球的背面，因为月球自转的周期和公转的周期都是一个月，大家回去可以做一个实验，你站在地球上永远只能看到这个面，因此在地球上生活的全体人类，对于月球来说，只看到这个面，这就是我们过去古代传说的所谓的有桂花树和月宫的图像，实际上它都是很广阔的平原，是非常平缓的我们称为月海的地方；其实月海一滴水也没有，只是地形比较平坦而已，它们都是砸出来的大坑。这些发亮的地方是陆地。这就是我们所看到的月球，月球和地球相比是比较小的，大概体积上来说，只有1/49，月球的质量相当于地球的1/81，大约81个月亮才能组成一个地球。但是月球的表面积很大，大约是4个中华人民共和国陆地面积的总和；地球与月球之间的距离平均起来约38万公里，有时候四十一二万公里，也就是说我们要探测月球的话，我们要到达40万公里以外的地方。假如你要到月球上去的话，火箭要飞行5-6天，所以这是很遥远的一个天体；对地球来说，确实又是最近的一个天体，光只要1秒多钟就到达了。六次阿波罗登月，共取回381.7公斤的月球样品，前苏联三次不载人取样，共取回0.3公斤月球样品，人类一共从月球上取回382公斤月球的岩石和土壤。

　　另外我们现在知道人类已经找到了将近30块从月球上掉下来的石头，当然同学们一定会问，你怎么知道是从月球上掉下来的？有什么证据？另外它怎么能掉到地球上，你怎么能辨别出来是月亮上的石头以及是从火星上掉下来的石头？我们就是从事这方面研究的，我要详细说起来我又要做两个小时的报告来证明它，所以我今天不讲了，我想大家应该相信，这是有充分的证据，国际上大家也都做了很多工作。

　　月球的探测基本上集中在上个世纪的六七十年代，最近又有一点月球热了，大家探测的机会又多了，发射更多的探测器。月球探测最早是打一个探测器直接撞在月球上，比如苏联就打上一块标志性的金属牌子，证明到月亮上了。然后就逼近月球，靠近月球，拍几张照片回来，这已经很了不起了。然后把月球的背面全部的照片拍下来，全部给予命名。所以我们现在知道月球的另外一面是什么样子。然后派软着陆器，然后派机器人，当然那个时代都是比较低档的，我们现在可以派高级的机器人。

　　月球表面覆盖了一层5-20米厚的土壤，它们是由长期的各类小天体撞击月表，使裸露在月表的岩石破碎，加上温差的剧烈变化，使岩石产生碎裂，各类岩石碎块和粉尘堆积起来，形成月壤。月壤长期受到太阳的光、热辐射，也长期接受到太阳风粒子的注入。太阳风是由太阳发射的一种等离子体，速度很快，大约每秒500公里的速度，一直往外刮，当然，也刮到地球上，也刮到月球上，地球上有地球的磁层、地球的大气层，产生屏蔽效应，而月球是光秃秃的，太阳风一直就可以辐射到月壤(月球表层的土壤)里头，土壤的颗粒就把它吸附下来。四十多亿年来，吸附攒下来，攒了很多很多这种成份，那么，我待会要说这种成份的价值和意义。

　　另外，最近发现月球上可能有水冰，为什么月球上有水冰呢，大家知道，白天的时候月表的温度达到110-130摄氏度，冰块掉到月球上，一下子就会化掉了，不可能保存。但是有一个地方可能会有冰，那个地方永远照不着太阳，叫永久阴影区，假如有冰块掉到那个永远照不着太阳的地方的话，它几亿年都会保存下来，因为它从来没有照过太阳。什么地方照不到太阳呢？最好的一个地方就是南北极的一些撞击坑里头，因为南北极太阳是斜照的，斜照到撞击坑的边上，他的阴影一直可以遮过去，覆盖了整个撞击坑，所以在南北极的撞击坑里头，冰块永远都会保存，因为坑内的温度约负150度。南北极的撞击坑里头都是黑的，照不着太阳，也叫永久阴影区。通过绕月探测器来测定水冰，发现南北极的地方真的有氢存在，所以很可能是有水存在，最后发现月球的南极可能是存在很多冰块。月球的中纬度地区也有一些冰块，只要那个地方没照到太阳。那么现在还有一个问题是冰从哪儿来，大家知道，彗星就是冰块加脏土混合起来的，那些彗星也经常掉到月球上去，掉了以后，砸得四处都是，总有一些掉到那些照不着太阳的地方，一掉到那儿去，就会永远保存下来，所以月球上可能会有水冰。这项探测结果使地球上的科学家们极其兴奋，以后到月球上就不用带水了，因为月球上有冰。统计下来，月球上的水冰大概可以转化成66亿吨水。土壤里水冰的含量是0.3%-1%，后来人们虽然兴奋了一阵，但是最后觉得毫无价值，第一你得跑到一个负150度的地方，交通也不便，你也不可能进到那种里头去，要把所有的月壤都给它刮起来，要把它加热，把冰块蒸发成水蒸气，再把它冷却，变成水，这个过程要多大的能量啊。另外，你还要到一个负150度的地方去，永远照不着太阳的地方，这是不可能的。与其这样，还不如采用其他的办法来制备水，最后人们又放弃了在月球上面水冰的进一步探索。

　　关于水的问题我还想多说几句，因为它是生命存在的前提，现在知道月球上有水冰，火星曾经出现过水，这是大家都公认的。地球表面分布着72%的水，另外还有几个大行星的卫星可能有水，大概我们整个太阳系可能有水就这么几个地方。可能有生命存在的，大概最有可能的是火星，还有那几个卫星，其他的地方大概就没指望了。而生命绝对不是指外星人，这是两个概念，因为从最原始的生命进化到我们现在人类，是非常艰难的，它的发展过程至少经历了40万万年，就是40亿年的艰难的历程，才出现人类，这是非常非常艰难的一件事情，这个过程是极其复杂的。有关地球生物的演化过程，地球的地层中有完整的记录，所以有生命和有人类或有外星人，绝对的是两回事情，大家不要混为一谈，哪怕最原始的细菌也是生命，这种生命对于研究生命的起源是极其有价值的。月球上没有任何生命，甚至连有机化合物都没有，这已经经过证实了。现在唯一的一个争论的问题，是火星是否曾经有过生命？科学家们在1984年在南极洲叫Allan Hill的地方找到了一块石头，它的编号是ALH84001。这块石头证明是火星来的陨石，大家相信绝对是火星上掉下来的，这是没问题的。测过它的年龄是36亿年，也就是说它在36亿年前形成，在火星上，至于它什么时候掉下来的，也测出来了，大约是在1600万年以前，火星表面有一次小行星撞击，把石头粉碎了，气化、熔融，包裹了火星的土壤和岩石碎块并把它扔出来了，只要扔出来的速度大于火星的逃逸速度，就像我们地球上的第二宇宙速度一样，当然火星是比较小的，有这个速度，它就会离开火星，到行星系空间运行。经过测定，这块陨石是在13000年前掉到地球上，并掉到地球的南极，被冰层所保管起来，保护起来，一直到1984年，人们才发现并找到，这个过程是非常清楚的。就这块石头，美国航空航天局的科学家们，发现了一种很重要的结构，发现那里面有很多小虫子形态的结构，他们说这是细菌。这说明火星曾经发育过细菌，这一下轰动全世界，认为火星上曾经存在过生命。因为这块石头的年龄是36亿年，也就是说，火星在36亿年以前，有过这种生命形态的存在，它的生命的水平是细菌，这是很了不起的发现。因此，全世界的科学家都在做这块石头的工作，做一些精细的研究，这些细菌到底是什么细菌？这些细菌的横截面切出来都是一个一个这样的横截面，直径大约1%头发丝大小，这些都是在电子显微镜底下拍到的。因此，这就产生了一个非重大的问题。现在市场上有很多很多书宣称：地球人是火星人的后代，火星曾经有过人类，等等等等，这个当然都是演绎出来的，真正的原始的依据就是这么一件事情。对于这个发现，科学家们现在还在讨论，还没有结论，因为这里面带来一些非常重大的问题是什么呢？第一个问题就是说火星原来36亿年有细菌，后来火星的条件极其恶劣，生命没有办法得以繁衍，所以中断，这是一个结果。第二，地球当时的水平是什么，地球上36亿年的石头很容易找到，把它打开来一看，也有这种细菌，也就是说，地球当时的水平也是细菌水平，而没有我们的人类，也没有什么各种植物，各种动物都没有，那个时代全是细菌。那么这里面就产生了一个问题，既然现在火星的这种化石可以掉在地球上，36亿年以前它也可以掉到地球上，因此当时地球上的细菌是火星带来的，后来这些细菌演化到我们现在的人类等等，都是火星给予的，因此人们就说地球的人类、地球的生命是火星的后代，就这么来的，这没有任何根据的，这是猜测的。同理，既然火星的岩石可以掉到地球上，地球上的岩石也可以掉到火星上去，因此，在36亿年前的细菌也可以掉到火星上，因此火星的细菌是地球带过去的，这也可以。还有一种可能，各自都有能力发展自己的细菌，但是火星中断了，地球一直延续下去，发展到今天的繁茂的生物圈以及我们现在如此高度文明发展的人类。这个问题还在争论，大概人类的认识就到这个水平了。

　　下一步的文章要同学们去做，因此揭开生命起源的谜，要知道我们除了地球以外，别的天体上还是否有生命，甚至有没有外星人的存在，我认为，这都是一个很艰巨的任务。对外星人我想只说一句话，我从感情上来说很希望有外星人，为什么? 因为人类终究是很孤独的，希望知道我们的宇宙当中是否还存在着自己的同类，因为这个太重要了，知道我们今后往哪儿去，我们将走向何方，因为既然有外星人能够到地球的话，它的文明的发展至少比我们要高度发展，几万年以后的，我们也不知道几万年以后我们将是什么样的发达程度，至少来说，我感情上希望有外星人。从理论上推导上来看，是有可能存在外星人，光银河系就有十亿左右的恒星，它们管了多少行星啊，难道就没有一个像地球一样的行星吗？，全宇宙就只有一个地球，这是说不过去的，所以理论上是有可能存在高度文明的社会。另外在实际上，我们所得到的全部数据和全部的探索成果，没有任何证据证明有过外星人存在。所以现在很多外星人的传说，我认为这是一个创神论。地球上有什么事情解释不了，就武断说是外星人干的，什么英国的巨石阵啊，什么埃及金字塔是外星人建造的啊！我们中国贵州有一片森林被强对流气旋刮倒了，媒体大肆宣传是外星人干的，等等等等，外星人是神啊，甚至认为我们人类就是外星人创造出来的，甚至圣经上记载的上帝是外星人，等等等等，这种书很多。我认为科学幻想是可以的，但是真实的情况要有科学的依据，所以我的意思就是说，我们要实事求是地来对待，因为我们现在人类跟外面世界的沟通的能力也就是100年左右，为什么，发明了无线电，我们才有可能发一个无线电信号到外面去，现在才传到了100光年左右，更遥远的星体是没有任何信息啊，我们人类没有这个能力，能够发射更多的信息出去，因为这个宇宙太辽阔。

　　月球上有很多矿产资源，资源量蕴藏巨大，很有特色。月球的内部结构也像地球一样，很像鸡蛋，有个壳，有个蛋清，有一个蛋黄。月球有个月核、月幔和月壳，我们地球也是这样，不过比月球复杂一些就是。我今天不详细讲月球的内部结构。另外，月球内部的质量分布非常不均匀。月球内部现在有没有月震呢，有，很小很小，大约相当一亿分之一地震的能量，所以月球几乎是衰老到不能动弹了，我说句通俗的话，就是说老死到已经不能动弹，这大概就是我们真实的月球。月球所有石头都是31亿年以前的，以后就没有新的石头形成，说明了一个问题，说明了我们的月球在31亿年以前，已经基本上终结了它的生命而成为了一块大石头绕着地球转。可以说，月球是一个古老的、僵死的星体，月球的内部能量已经近于衰竭，月震和表面热流都很小，月球的地质时钟停止在31亿年之前。这对我们去认识地球的古老的演化是非常重要的，因为我们地球早6亿年的历史甚至到8亿年的历史全部被抹掉了，我们要恢复这段历史，大概借助于月球是很好的借鉴；另外我们地球的未来，月球也提供了一个标本，今后我们的地球的内部会像月球一样僵化、固结，但是表面绝对不同于月球，是非常的欣欣向荣，非常的高度发展。因为这是太阳的功劳，跟地球内部是两个系统，没有关系。好了，这是月球的演化历史，一直到31亿年前基本结束了。

　　人类对月球的探测以后大概经历了十多年，因为要做航天飞机，又要做太空站，所以有十几年停止了对月球的探测，再加上以后苏联的解体，冷战的结束，月球探测的竞争也相对缓和了。另外大家也觉得阿波罗花钱太多了，不管怎么说吧，还是花的钱太多，现在大概要五六千亿美元。总体上来说，探测的水平还不高，能不能再进一步提高？要有新的思路，所以后来就逐渐提出要重返月球，现在日本、美国都已经发射了探测器，欧洲也已经发射了，叫做SMART-1，大概今年就要到达月球了。现在俄罗斯、日本、乌克兰、奥地利、德国、巴西、印度都提出来要探测月球，我们中国也提出来要探测月球，这是为什么？对月球为什么热衷于探测，这里面肯定有它的原因的。现在大家都想探测月球，要建立一个基地，要开发利用月球的资源和能源，要充分地利用月球，大家的目标都很清楚。现在实际上月球虽然不属于任何国家，但是谁先利用，谁先获利，这是天经地义的，这是一种强权政治所导致的。所以现在对于月球来说，有哪些新的前景在吸引人呢，现在大家都是重新来探测月球，叫重新认识月球，叫重返月球，要对月球再来一个全球性的、整体性的一个新的认识。美国在1994年发射了一个很有名的探测器，叫做克莱门汀号，这是一个军事间谍卫星，它发射到月球的附近，是它发现月球有水冰的。1998年美国发射的非常著名的探测器叫做月球勘探者号，它做出了月球表面五种资源的全球分布，大家知道，铀是原子能发电的原料，铀、钍、钾（钾肥的钾）、钛、铁五种元素的分布，这个分布它做的很好。这是全月球铁的分布，这是氧化铁的全月球分布，这是钛的分布，这是氧化钛在全月球的分布。哪儿富哪儿贫，大概有多少，我们做过统计，月球上这些资源的储存量，对于地球来说，真是取之不尽，用之不竭。当然现在谁也没那么傻去开采，因为成本太高，但是科学家必须告诉人类，月球有这些资源，将来需要的时候，是有用的，是不用发愁的，月球上可以大量提供，我觉得这是科学家的责任。

　　另外一个能源问题，月球上有极其丰富和稳定的太阳能，大家知道月球上没有风、云，太阳直接照射它表面；月球太阳能的能量密度也要比地球大多了，对于太阳的辐射，因为地球有那么多阻挡的东西；另外呢，它还有一个好处，一个白天是14天长，所以只要在经度每隔120度建一个太阳能发电厂的话，永远至少有一个厂被太阳照着，就可以永远发电；而且月球表面是非常宁静，没有任何干扰，所以有人说太阳能电池板可以无限制地设置，可以获得巨大的能源，而且长期的供给地球。法国已经宣布，他们可以把这种月球的太阳能，输送到地球上来，而且这是一种清洁能源。不管怎么说吧，再多的太阳能，对于地球也是不够的，因为地球的需求太大了，解决不了地球的能源问题。因此就有第二件事情的出现——充分的利用月球土壤中的氦-3。我们不讲我们怎么去计算，大约有100-500万吨的氦-3资源量储存在这种土层当中。就是说，45亿年以来，太阳一直在照射输送这种粒子，而且一直被它表面所吸引。月球表面的土层有一个特点，就是由于经常受小天体撞击，挨砸，砸了以后呢，把新的土层翻出来，盖到另外一个地方，这样又砸又把底下的土又翻出来又盖到另外一个地方，大约每4亿年月球的土层要从底到上面翻一次。我经常打比方，农民一年要翻一次地，4亿年月球土层要翻一次，翻一次有什么好处呢，就是说，经常来接受太阳的辐射，这样的话，从上到下，所有的氦-3的含量是很均匀的，所以我只要测出它的厚度来，就可以算出来它有多少氦-3，这是一个很好的一种机遇，大家知道，氦-3为什么有这个功能呢，为了要说清楚这件事情，我想打一个最粗浅的比喻吧，大家都知道，原子弹威力很大，爆炸起来杀伤力很大，但是我不让它爆炸，可不可以呢，这是可以的，我把它约束在反应堆里面，让它能量慢慢慢慢放出来，不让它爆炸，原理是一样的，重核的裂变产生的能量，大家学物理，到高中的时候都会知道，那么这就是我们现在人类广泛使用的原子能发电，又叫核电站，就是利用原子弹爆炸的原理，重核裂变的原理。那么另外一个问题，人类早就研制出氢弹出来了，这个五十年以前就知道了，而且已经炸过了，我们的太阳一直在氢弹爆炸，而且提供巨大的能源来温暖所有的天体（包括我们地球表面），它是氢弹爆炸，剧烈的爆炸。科学家们想，既然原子弹可以这样不让它爆炸，现在能不能不让氢弹爆炸，也让它约束在某个范围内，让它慢慢慢慢地把能量放出来，那么这就叫做可控核聚变发电。科学家已经研究了60年，科学家的梦想就是要实现这种发电，假如这种发电的话，那就是有的是资源了，就不会为石油、天然气、煤的短缺而犯愁了。可控核聚变现在国际上已经走向联合建立反应堆的阶段，我们中国也加入了，现在原理是没有任何问题，而且经过将近60年的艰苦研究，不知道付出了多少代科学家的努力，现在觉得是应该慢慢能够实现的，大约还要经过30-40年，可能能够实现商业化的发电。假如是这样，我们根本不用发愁，石油、煤和天然气终究要耗尽，必然会有后备的资源，当然这要靠同学们这一代人来实现科学家们这种长远的理想，可控核聚变发电站全世界必须联合起来，美国支持在日本建一个可控核聚变反应堆，欧洲又希望能够在法国建，现在正在吵架。不管三七二十一吧，地球上用这种资源发电，就是氢的同位素，一个是氘，一个是氚，而氘氚反应有一个弱点，因为它最后反应的结果放出中子，很难防护。假如我们用氘和氦-3来做原料产生反应的话，它放出来的是一个质子，然后放出巨大的能量，这就是可控核聚变，把它控制在极高温度下，然后让它逐步的来实现释放能量。另外，氚是放射性核素，而氦-3是稳定核素，极为安全。可控核聚变应该是一种取之不尽，用之不竭的能源。但地球上的氦-3只有15吨左右，我刚才讲过，在月球上的氦-3大约有100-500万吨，假如这种发电的形式是可以实现的话，那么全世界的发电量大约每年需要氦-3 100多吨。大概还要三四十年吧，可控核聚变发电就可以商业化了。我们现在烧那么多的石油啊，煤啊，天然气啊、建管子啊，我们现在要到外面去买石油，每年要进口一亿吨，我们自己生产一亿吨，我们建了一条西部输天然气的管子，一直输到上海，我们的煤的开采是远远不够需求啊，这么庞大的能源保障，这才是中国。全世界假如利用可控核聚变发电，每年大约要一百多吨氦-3。月球上有100-500万吨氦-3的资源量，也就是说月球可以保障地球的使用上万年的需求。我们的煤我们的天然气大约从人类使用以来到现在大概能够保证100年的用途就已经足够了，地球已经为我们攒了那么多的好资源留下来供我们人类使用，我们这些不肖子孙很快就把它花光了。月球的氦-3资源可以保证人类长期的需求，所以这是一个非常重要问题。

　　月球还有很丰富的其他矿产资源，就不展开讲了。月球的特殊环境值得开发，它是超高真空，又没有磁场，地质构造又稳定，它是弱重力，就是只有相当地球的1/6，又是高洁净的环境，有很多产品在地球上生产是有许多不能回避的问题，地球上有重力，你有很多东西生产不出来，地球有一个很大的磁场，你要受磁场的干扰，另外地球表面很不干净，另外地球的地质构造也不稳定，等等。很多新型材料和生物制品需要在月球上研制的东西，月球虽然是那么严酷，那么糟糕的环境，但是它另外一个方面提供了一个地球上绝无仅有的条件，太难得了。