首位登上月球的科学家

北京时间1972年12月12日3点54分57秒，挑战者号月球舱降落在了澄海（Mare Serenitatis）东南方的陶拉斯-利特罗（Taurus-Littrow）月谷。月球迎来了阿波罗计划的最后一批登月者，同时也迎来了首位登月的科学家：宇航员、地质学博士哈里森‧施密特（Harrison Hagan Schmitt）。

Harrison Hagan Schmitt | NASA.gov

施密特出生在美国新墨西哥州的桑塔丽塔（Santa Rita）。1957年本科毕业于加州理工学院地质学专业，然后在挪威奥斯陆大学继续学习了一年地质学。基于他在挪威的野外地质工作，施密特于1964年获得哈佛大学地质学博士学位。毕业后，他加入了位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫（Flagstaff）的美国地质调查局太空地质学中心（U.S. Geological Survey's Astrogeology Center），为阿波罗宇航员们研发探月所需的野外地质装备。

1965年6月，施密特入选美国国家航空航天局（NASA）第一批科学家宇航员（scientist-astronauts）。他在阿波罗机组人员训练过程中起到了重要的作用：训练他们以地质学家的方式来描述月球表面，并在登月之后能够准确地选择月表样品标本。在每次登月任务后，他还参与了采集标本的研究和评估，并帮助登月宇航员完成任务报告中的科学内容。

1970年3月，施密特成为第一个被分配到太空飞行任务的科学家宇航员，与理查德‧戈尔登（Richard F. Gordon, Jr.，指挥官) 和万斯‧布兰德（Vance Brand，指挥舱飞行员）一起组成了阿波罗15号的后备机组，也是阿波罗18号的首发机组。

1970年9月，由于美国宇航局预算紧张，阿波罗18号和19号任务被取消。阿波罗计划中的地质学家们强烈建议：必须让一名专业地质学家登上月球，让训练有素的地质学家能够在阿波罗最后旅程中直接对月球进行勘察。他们集体向美国宇航局施压，要求将施密特调整至阿波罗17号任务中。

1971年8月，施密特被指派接替约瑟夫‧恩格（Joe Engle）担任阿波罗17号任务的登月舱驾驶员，执行阿波罗最后一次任务。同时，施密特成为了阿波罗计划中唯一一位执行任务的科学家。

阿波罗17号任务徽章

在阿波罗17号任务的三次月球行走中，施密特与指令长尤金‧塞尔南（Eugene A. Cernan）一起搜集了111千克的月球样品。在首次踏上月球表面时，施密特感慨道：

“如果宇宙中存在地质学家的天堂，那就是这里了！”

“It’s a good geologist’s paradise if I’ve ever seen one!”

地质学家的“天堂”

阿波罗17号任务之所以选择陶拉斯-利特罗月谷作为登陆地点，是因为这里可能获取比雨海更古老的月球高地物质样品，并可能存在新近火山活动。在任务论证的过程中，施密特和其他科学家曾建议将位于月球背面的齐奥尔科夫斯基环形山（Tsiolkovskiy Crater）作为登陆地点。

月球侦察轨道器广角相机拍摄的月球（左）和齐奥尔科夫斯基环形山（右）[NASA/GSFC/Arizona State University].

齐奥尔科夫斯基环形山位于北纬20.38度、东经128.97度，是一座大型撞击坑。该撞击坑长约直径184公里，体积约3745 km³，中央有一个3200米高的山峰。坑底覆盖着月球正面常见的，但是月球背面少见的深色月海玄武岩。坑底东部和南部的月海玄武岩较多，且在西部到西北部存在一个突出的湾。其余部分的物质与撞击坑周围的物质反射率一致。

阿波罗17号拍摄的齐奥尔科夫斯基环形山全景（左）及中央峰南部朝上（右）照片（AS17-139-21302）

施密特等地质学家认为：这个地方可能可以采集到来自月球深部的古老样品。但是，美国宇航局认为这一想法过于冒险而予以否决。最终，阿波罗17号在陶拉斯-利特罗月谷采集到的样品测定年龄为36−42亿年（Turner et al., 1973）。不过，施密特等人的判断是准确的，最近一项研究显示，齐奥尔科夫斯基环形山是在35亿年前一个天体撞击在年龄为41亿年的地体上形成的 (Boyce et al., 2020)。

不仅仅是月球上的齐奥尔科夫斯基环形山，位于火星及木星轨道之间的第1590号小行星也叫齐奥尔科夫斯基小行星。

齐奥尔科夫斯基是谁？为什么月球背面这个如此独特的环形山，以及一颗小行星会以他的名字命名？

航天之父：康斯坦丁‧齐奥尔科夫斯基

“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。他们不断地争取着生存世界和空间，起初小心翼翼地穿出大气层，然后就是征服整个太阳系。”——康斯坦丁‧齐奥尔科夫斯基

康斯坦丁‧齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky，Константин Эдуардович Циолковский，1857年9月17日—1935年9月19日），现代宇航学的奠基人，被称为航天之父。

康斯坦丁‧齐奥尔科夫斯基 

Credit: Archive of Russian Academy of Sciences

1867年，10岁的齐奥尔科夫斯基在滑雪时得了严重的感冒，导致猩红热，最终几乎完全失去了听觉。上帝给齐奥尔科夫斯基关上一扇门的同时也给齐奥尔科夫斯基打开一扇窗！后来的他回忆说：“我的耳朵近乎全聋，因此成了邻近的儿童们嘲笑的对象。这个生理缺陷使我同人们疏远了，但却使我发奋读书，用幻想来忘却所有的烦恼。”

在阅读的过程中，星际航行的问题对齐奥尔科夫斯基产生了强烈的吸引。1873年，在思索实现太空飞行的方法时，16岁的齐奥尔科夫斯基忽然想到：可以利用离心力作为通向星际空间的方法。他后来回忆说：“当时我简直高兴得发狂，那一晚我整夜都无法入睡。我慢慢地在莫斯科的大街上徘徊，一直思考着这一发现的伟大意义。但到了第二天黎明，我终于认识到我的推理是错误的。”

1881年，齐奥尔科夫斯基将一篇名为《Theory of Gases》的气体动力学理论论文提交给俄罗斯物理化学学会。学会的科学家看到他的论文后十分惊讶：论文的内容和结论完全正确，但这一问题早在二十多年前就已得到了圆满解决。科学家们没有把这个年轻人看作是骗子或剽窃者。他们认为：这位年轻学者可能与外界缺乏联系，并不知道他的“发现”已经问世多年。著名科学家门捷列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleev）给齐奥尔科夫斯基写了一封措辞谨慎的信，对他的工作和成绩表示赞赏，还对他进行鼓励，希望他将来取得更大成果。在他的第二篇文章《The mechanics of the animal organism》发表后，俄罗斯物理化学学会对这位年轻人的思想独立性印象深刻，邀请他成为该学会的一员。

气体实验的工作为齐奥尔科夫斯基的理论著作《Free Space》提供了灵感。这本书中，他首次尝试描述宇宙对人类的意义以及真空和失重对未来太空旅行的影响。这本书完成于1883年，直到齐奥尔科夫斯基去世以后的1956年才出版。这本书的手稿中还包含一幅素描，被认为是齐奥尔科夫斯基最早对航天器的描绘之一；一幅展示了失重状态下的太空旅行者的简笔画；一种类似大炮的，用于推动飞行器在真空中飞行的机器；以及控制船舶在太空中前进方向的原始陀螺仪。

《Free Space》手稿中，齐奥尔科夫斯基设计的第一艘太空飞船（上）和对失重状态的描绘（下）

1897年，齐奥尔科夫斯基推导出著名的火箭运动方程：ΔV=V_e*ln(m₀/m₁)。后来发现，1813年英国著名数学家威廉·摩尔（William Moore）在《A Treatise on the Motion of Rockets》一文中已经推导出该原理，并由英国皇家军事学院应用于最初的武器研制。由于摩尔的这一理论从未公开发表，齐奥尔科夫斯基是独立推导并首次公开发表，且该火箭运动方程已在世界范围内被广泛承认，因此该方程仍被称为“齐奥尔科夫斯基火箭运动方程”。

1898−1914年间，齐奥尔科夫斯基一系列的著作系统地建立起了航天学的理论基础。

齐奥尔科夫斯基设计的太空飞船（左）和1936年苏联电影《Cosmic Voyage》据此设计的太空飞船模型（右） | National Air and Space Museum, Smithsonian Institution

在对火箭运动理论进行了一番研究之后，齐奥尔科夫斯基又对星际航行问题进行了研究和展望。这些阶段包括：火箭汽车、火箭飞机、人造卫星、载人飞船、空间工厂、空间基地、太阳能的充分利用、外太空旅行、行星基地，以及恒星星际飞行等。他提出的在飞船中利用植物生产食物和氧气、依靠旋转产生重力、更好地利用太阳能等思想至今仍是航天领域的研究方向。

1932年齐奥尔科夫斯基为苏联电影《Cosmic Voyage》画的图，显示一个宇航员通过一个气闸门出舱行走 | Credit: Archive of Russian Academy of Science

1919年，齐奥尔科夫斯基入选社会主义科学院院士（Socialist Academy，后更名为Academy of Sciences of the U.S.S.R.）。

1924年，齐奥尔科夫斯基被推选为苏联宇航学会军事航空学院的第一位教授。

1931年，齐奥尔科夫斯基在他的自传中写道：“儿童时代以来，严重的耳聋使我完全不顾及日常的生活方式，也因此缺少‘交际’。这也许是我到了68岁仍然进展缓慢，没有取得真正成功的原因。沉思、计算和实验构成了我的全部生活。……重大的问题还远未解决，我是否拥有足够的能力或者健康，将我这些思想变成现实？"

在齐奥尔科夫斯基的论文和著作的影响下，一批火箭和航天爱好者走上了航天探索的道路。他的成就也被欧美广泛承认，德国航天先驱Hermann Oberth曾在致齐奥尔科夫斯基的信中说：“您已经点燃了火炬，我们绝不会让它熄灭。让我们尽最大的努力，以实现人类最伟大的梦想。”

齐奥尔科夫斯基开启了人类的航天时代。他曾说：

“人类现在还能力有限，但他们已经开始改变地球表面。在数百万年后，他们可能获得改变地球表面、海洋、大气层，甚至人类本身的能力。他们将像控制地球一样控制气候和太阳系。他们将跨越我们行星系统的边界；他们将直接触摸到太阳，并直接使用太阳散发出的新鲜能量，而不是利用其释放出来的那一点最后的光亮。”

“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.”

十九世纪初，齐奥尔科夫斯基认为人类在百万年后可能会获得改变地球表面的能力。仅仅两个世纪之后，人类已经实现了对地球表面陆地、海洋、大气的巨大改造。那么是不是在不远的将来，我们就能解锁控制太阳系的能力呢？

大航天时代正在开启

苏联的月球号和美国的阿波罗计划实现了人类对月球的探索。而我国奋起直追，从嫦娥一号到嫦娥五号，实现了月球的“绕、落、回”；天问一号，一次实现了火星的“绕、落、巡”。未来，我们还有嫦娥六号，月球背面采样；嫦娥七号，月球南极探测；嫦娥八号，配合嫦娥七号，为月球科研站完成技术积累。天问二号，小行星探测和采样；天问三号，火星采样；天问四号，木星及冰卫星探测。而且，还计划在2030年左右完成载人登月。未来十年，将是我国深空探测任务最密集的十年。

国家航天局已经发布了视频，未来将与俄罗斯合作打造月球科研站。要在月面上长期驻留，必然要涉及到资源能源的利用。在哪建立基地、有什么资源、如何利用？这些都是地球科学的主业，未来将大有可为。与此同时，商业航天如火如荼，国内外很多商业航天公司如雨后春笋般涌现出来。未来的世界将需要大量的相关领域人才。

我们正处在一个激动人心的时代。

行星科学

行星科学是地球科学的延伸，是深空探测的出入口。通过多年的努力，2021年10月26日国务院学位委员会批准设立行星科学为一级交叉学科，2022年2月24日教育部将行星科学列为普通高等学校本科新专业名单。具体情况在《行星科学一级学科建设两周年》一文中已有过详细介绍。这里不再赘述。

在行星科学各个异彩纷呈的研究方向中，有一个重要的研究方向叫比较行星学。

比较行星学

比较行星学研究什么？

让我们穿越回46亿年前的某一天，严格的说那个时候还没有“天”的概念，因为地球还没有诞生。一堆不起眼的星云和尘埃，受到了某种扰动，导致它开始坍塌，然后开始加速旋转，形成星云盘。随着中心物质越来越多，压力越来越大，温度越来越高，引发了核聚变，太阳诞生了。放眼宇宙，它只是无数普通的太阳之一，但后来我们知道，它很特别，因为它有我们。那么太阳形成时，初始物质状态是怎样的呢？前时代的恒星物质，来自红巨星、超新星，它们的分布又是怎样呢？

太阳形成之后，太阳星云的温度就发生了变化，靠近它的地方温度高，远离它的温度低。于是，中间必然有一个界线，叫做“雪线”。雪线以内，水是液态或者气态的，雪线以外，水是固态。那么，这样一个过程会造成怎样的物质迁移？又造成了怎样的内外太阳系差异呢？

再然后，行星开始形成。想象这样一个过程，尘埃开始聚集，形成小的星胚，然后是星子，然后是小行星，行星。而稍微大一点的小行星，会因为放射性衰变产生的热，开始分异，形成圈层结构。密度大的铁质熔体，进入中心形成核，密度低的硅酸盐熔体上升，形成壳。这些过程中发生了什么呢？

在行星形成之后，它们既有相同点，又都有各自独特的地方。到底什么是主控因素，到底什么导致了差异化？地球的板块运动是独有的吗？金星为什么会发生失控的温室效应呢？

这还没完，我们拥有一个独特的月亮。相比于别的月亮，它是如此的大，转得如此的快。以至我们的主流观点，公认地球和月球形成于一次大撞击，并在早期经历了岩浆洋过程，就是表面被几百公里的岩浆的海洋所覆盖。因此，地-月是个系统，是个整体，而月球保留了很多早期的记录，那么地球的早期到底发生过什么呢？

除地球早期之外，我们对地球深部也知之甚少。尽管地球深部的结构和成分，是固体地球科学的重要问题之一。但我这里要介绍的，是比较行星学视角。比如，我们可以通过陨石撞击，或者高温高压实验的模拟，来理解行星内部到底由什么构成？又具有怎样的结构？

从太阳到行星到地球，之所以如此特别，都是因为这里有我们，有生命。生命的起源和演化，一直是困扰我们的终极问题。尽管生命的组成材料，在太阳系几乎随处可见，陨石中发现了多种有机物，隼鸟2号的样品中也发现了多种氨基酸。这些有机物如何形成的，它们如何分布的，哪些有机物才是真正的生物标志物？

有了生命，才需要考虑宜居环境，那么什么是宜居环境？火星，两极有冰盖，有地下湖，适合微生物生存吗？木卫二，土卫二，有地下海洋，甚至有水热系统，能孕育生命吗？

以上这些问题，很多都还没有找到答案，仍然需要大家来探索。如果你对这些问题感兴趣，但又苦于没有途径，那应该怎么办呢？

中国科学院地质与地球物理研究所，地球与行星物理院重点实验室，比较行星学课题组欢迎你！

你能做什么？

中国科学院地质与地球物理研究所，地球与行星物理院重点实验室，比较行星学课题组长期招收硕士、博士研究生及博士后，也欢迎本科生来进行合作学习。

在这里，你不一定能上天，但是你能得到天上来的第一手资料，在人类探索深空的旅途中留下你的“足迹”。

你可以通过分析就位探测数据、陨石样品和地外返回样品，获得太阳系或行星演化的信息。

在这里，你不一定能上天，但是你可以在实验室和计算机里重建你心中的宇宙，为未来的深空探测指引方向。

你可以通过各种模拟的手段，来解决探测无法解决的问题。比如行星内部的物质组成、天体化学的反应过程、以及陨石撞击过程的模拟。

在这里，你不一定能上天，但是你的作品很可能会上天，成为未来的深空探测中的一把利剑。

你可以做月球、火星环境模拟仓，可以设计针对不同行星表面土壤的性质的分选装置，可以为地外稀薄大气设计采样器，还可以为地外珍贵样品的分析研发更高精度的分析仪器。

在不远的将来，月球上将会留下中国人的足迹。不仅如此，我们还要在月球上建立基地，在那里看星星、看地球，开启星辰大海的探索之旅。无论你以前是学什么的，数理化天地生，工程技术，你都可以加入我们。我们一起为人类的深空探测事业贡献一份力量。

并且，你也不一定不能上天。毕竟当年施密特也是这么一步一步走上月球的，不是吗？

Harrison Hagan Schmitt在搜集月球标本 |NASA

参考文献：

施密特和齐奥尔科夫斯基的相关材料由网上资料整理而成

Joseph M. Boyce, Peter Mouginis-Mark, Mark Robinson. The Tsiolkovskiy crater landslide, the moon: An LROC view. Icarus, Volume 337, 2020, 113464. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.113464.

TURNER, G., CADOGAN, P. YONGE, C. Apollo 17 Age Determinations. Nature 242, 513–515 (1973). https://doi.org/10.1038/242513b0

美编：许宏玺

校对：刘强