从天问一号、祝融号到神舟13号,2021年是中国航天重要的一年,未来的10年中还将往更远的星球发展,同时商业航天除了马斯克的SpaceX或贝佐斯的蓝色起源,国内的民用航天甚至文创也在持续茁壮,遥远的太空在未来与我们的关系是什么?

北大毕业的李成老师现任美国密西根大学行星科学系助理教授,也是参与”卡西尼号”、”朱诺号”等任务的参与者,同时在706媒体实验室里创想如何制作一款太空科幻游戏,很高兴可以邀请他来谈谈这方面的问题。

Q:李成老师你好,能否简单介绍下您是如何进入行星科学领域的?太空探索从小一直是您的梦想吗?是否有某些科学或科幻作品让您当年激发兴趣?(如果不是的话,也可说下开始感兴趣的过程)

A:我其实从小对历史人文感兴趣,但是不巧进入了北大物理学院学习。北大物理学院是全国甚至全世界独一无二的把物理、天文和气候科学结合在一起研究的学院,所以我同时接触到了这三方面的知识。我在北大读本科的时候做的是地球古代气候的研究,并没有怎么接触行星科学。从北大毕业之后我就进入了加州理工读博士学位。国内小伙伴可能不太知道加州理工,但是肯定知道钱学森和喷气动力学实验室。钱学森当年从加州理工博士毕业后创立了喷气动力学实验室。这个实验室位于加州理工旁的山上,在二战时造导弹,二战结束后这些科学家就开始把导弹技术运用到了空间探索上。著名的旅行者号就是加州理工和喷气动力学实验室主持的。我在加州理工的导师Andrew Ingersoll,参与了几乎美国所有的行星探索项目,我也就逐渐在他的引导下对行星科学感兴趣了。可以说我对行星科学不是“一见钟情”,而是“日久生情”。

Q:在媒体实验室里我们讨论过做出一款太空科幻游戏的可能性,这个游戏讲述的是气候变化造成地球陆地淹没后,人类在各个星球建立殖民地并且遭遇到外星的生命形态,每个星球的气候及地理条件都很不同,最后利用其他殖民地的资源回来拯救地球环境,这与您的研究也有关对么?就是说通过光谱分析等方式可以研究木星、土星的化学组成及气候,可以说说卡西尼号或朱诺号的一些有趣发现么?(例如风暴的周期性、大气对流模式、六边形涡流、氨水、闪电等等)

A:对,我个人以前是游戏爱好者,当然现在比较忙了之后玩游戏的时间就少了很多,但是每周我还是会玩一会儿游戏。用通俗的话说,我的研究就是用我们现有的知识去创造一个虚拟的世界,然后对比真实世界和虚拟世界的异同来帮助我们更好的理解真实的世界。比如在我创造的世界中,木星上氨气应该是均匀混合在氢气中的,但是朱诺号看到的并不是这样,我到现在还不知道为什么,不知道哪里做错了。现在有很多科学家在研究如何用小成本进行火星改造(Terra-forming),我觉得这是很有意思的课题,而且能和游戏创作结合在一起。

Q:对您来说有特别启发您或喜爱的科幻游戏或科幻作品么?例如The Expanse或者其他?或者国内的作品?以游戏来呈现航天或者星际的主题有什么样的优势?有什么比较推荐的游戏么?或者现在的游戏有什么欠缺之处?它们如何能帮助玩家更了解太空或具备太空时代的意识?

A:我相信我们这代人的游戏启蒙是星际争霸,科幻启蒙是阿西莫夫。我很喜欢星际争霸,现在还会看一些星际争霸的解说,虽然我自己已经不怎么玩了,但我依然喜欢游戏中天马行空的想象力。用游戏来呈现航天技术的最大优势就是不需要考虑成本,可以想做啥做啥。瓶颈在于能想到什么,而不是能不能在合理的成本下做出来。

Q:我自己以前看星体的图片有时也觉得非常遥远,但是前几天看朱诺号拍摄的木星大气3维影像却有很不同的感觉,也就是说木星上面布满了各种各样的涡流,这让人想到在肥皂泡上看见的细小涡流,或者有一种传统的”流沙笺”工艺,这时候就会感觉它们是同样的物理规律所形成的构造,包括在地球上的气候现象,李成老师是否可以谈谈地球气候跟外星气候的运作有哪些相似之处,又有哪些不同之处?有哪些类似的构造?

A:历史不会重演,但是会有回响,可以说行星的过去就是地球的未来。比如我们知道金星与火星初期可能和地球差不多,有水有海洋,但是兄弟三星走上了不同的演化道路:金星变成了火炉,火星变成了冰窟,地球孕育了生命。我们现在还不知道地球在未来几十年或几百年间会不会变成金星,但我们知道大气的基本运行规律是一致的。这就是从行星科学的角度看待气候变化问题。

Q:在太空科幻游戏的构想中,很重要的一部分是不同星球的物质或生物是可以跨星体移动的,这是一个前提,但是我们一般的生活中会觉得我们的地球不受别的行星影响,可是这并不确实,其实其他行星或小行星的物质掉落地球是不时发生的,或者太阳射线的影响也是,这种影响有多频繁?(希望帮助读者打破太空跟地球很少互动的观念)

A:行星与地球的关系就好比自动扶梯的扶手与阶梯的关系。平时我们都是站在阶梯上,而不会注意到扶手的存在,但是如果没有了扶手,那估计就没有人敢站在这个阶梯上了。离开我们最近的星体就是月球,可能大家认为月球只是地球的一个卫星,是地球的小弟,也不碍着地球什么事。但是如果地球没有了这个小弟,那很有可能地球上就没有生命了。我们知道现在地轴的倾角是23.4度,而且在地质时间尺度上地轴倾角只在正负0.1度间变化,但每次地轴倾角的变化都会导致地球上的气候巨变。这种由于地轴倾角改变所导致的周期性的气候变化被记录在了北极的万年冰层中。而地轴的稳定性就要归功于月球的存在。由于火星没有大型卫星,火星的行星倾角能有20多度的变化。这也是火星气候不稳定的原因之一。现在公认火星在历史上曾有过海洋,但是在种种因素的联合作用下产生了环境剧变,海洋消失。离我们远一些的行星是木星,木星是气态行星,好像也和地球没有任何关系。但事实上,如果没有了木星,地球上可能连水都没有,更不用谈生命了。

Q:霍金曾经说地球上的文明可能在200年内灭亡,您觉得这确实可能发生吗?地球的环境问题是否将成为星际移民的动力?目前航天工业的发展需要多少时间发展类似的技术?

A:我觉得不可能灭亡,大多数关于世界末日的预言都是失败的。但是确实有可能产生文明的剧变。气候变化、贫富差距、国与国的矛盾、能源、核武器都有可能是剧变的原因。我也不觉得环境问题会是星际移民的动力,星际移民的动力来源于社会的想象力。我们可以想一下以下几件事的时间点:1)人类开始用火(200万年前),2)人类开始用畜力(1万年前),3)人类开始用蒸汽机(200年前),4)人类开始用电力(100年前),5)人类开始用核能(50年前)。如果按照之前的发展速度,25年前我们就应该登陆火星,12年前开始了第一片火星殖民地,6年前建立了火星-地球联合大望远镜,3年发现了系外可宜居星球,1年前开始组建星际远征队。但实际上人类的发展路线变成了,25年前成立了谷歌,12年前成立了脸书,6年前成立了抖音,3年前到现在好像没发生什么事。所以这个问题的答案是,或许25年内就可以,或许2万5千年都完成不了,完全取决于我们到底想要什么。

Q:木星或土星上的多边形风暴是非常令人着迷的构造,目前最新的研究认为它们是如何形成的呢?数字模型的模拟是否也帮助了解这一问题?李成老师自己所进行的大气环流模拟是什么样的呢?尝试解决什么问题?

A:现在主流的理论认为多边形风暴是由于大气的不稳定性造成的。不稳定性用通俗的话讲就是“正反馈”,就是“损不足而补有余“。正反馈体系发展到极致就是系统性的奔溃,比如金星的演化就是水汽的正反馈效应发挥到了极致而产生的全球气候变化。但一般来说正负反馈总是同时存在,我们看到的多边形风暴就是正负反馈同时作用的结果:正反馈让环流变的不稳定,负反馈让环流变的更稳定,最终博弈的结果就是类似于多边形的有序的形态。我做的大气模拟就是研究有哪些正反馈的机制,又有哪些负反馈的机制。是不是在某种情况下正反馈的效应会一边倒,出现大气环流的系统性奔溃。

Q:在互联网媒体上看到,近年来有各种各样的众筹太空项目出现,从计划2024年登月的Lunar Mission One,到预计可供所有人使用但最后失败的Arkyd太空望远镜,这些计划是否值得更多期待?是否有哪些比较好的案例?

 

A:我觉得通过众筹来做太空项目的难度很大。众筹项目需要有合适的商业模式、群众基础,以及激励机制。比如《星际公民》这款游戏已经通过众筹获得了三亿美金,也已经陆陆续续开发了有十年之久,但还没有成型的作品出现,我觉得该项目很有可能会流产。游戏产业在十年内已经发生了翻天覆地的变化,十年前的想法放到现在很有可能已经落伍了。我觉得众筹是否成功取决于能不能做到短平快。

 

Q:另一种让更多公众参与太空探索的就是公民科学的项目了,还有包括了相关数据及影像的开源等等,李成老师是否可以简单谈谈公民科学的概念在航天探索中是怎么运作的(朱诺号、卡西尼号)?能给科研带来什么帮助?而参与的公众又可以有什么助益?国内是否也有类似的做法?

 

A:我对美国的科研体制比较了解,所以先说一下公民科学与美国的航空航天项目是如何互动的。在70年代,也就是美苏冷战的时期,行星科学是两国相互角力的主战场。那时候各大媒体都会头版头条地宣传最新的飞行器的观测结果,会邀请科学家来解释这些观测结果意味着什么。那时候的科学家就像现在的明星,有专用直升机负责研究院所到主要机场的通行,再坐飞机去全国各地合作、交流、演讲。苏联倒台后,美国在科研方面的投入断崖式下降,但是公民的科学素养已经在那段时间内被培养起来了,科研院校也在那段时间内养成了给公众做科普报告的习惯。所以,即使国家主导的模式退出了舞台,仍有不少的企业家、慈善基金愿意资助行星科学。我的毕业院系加州理工地质与行星科学系有在走廊上挂满了行星探测的照片。经常会有周边的中小学生来参观,然后本系教授负责讲解。

 

我觉得我国现在还处在第一阶段,就是国家主导的行星研究和探测。但这并不意味着未来就要按照美国的道路来发展。现在完全可以通过用新的方式,比如游戏、娱乐、媒体和影视作品的形式来引导公众,丰富公众的生活。所以我对如何将太空探索、行星科学融入游戏与艺术非常感兴趣。当然,中间还有不少需要解决的问题。比如科学研究是基于真实世界的,游戏创作是基于虚拟世界的。科学研究者的目的在于理解自然,而游戏玩家更在意游戏是否好玩。所以我希望设计一款既有趣味性,又是基于真实世界的游戏。还有一个点就是艺术品。如果能够把行星的研究或照片制作成艺术品来售卖,这也将会是一种很好的与公众互动的方式。

 

Q:卡尔.萨根曾经想象木星大气层中可以有漂浮生物,经过了目前最新的研究,这种场景仍然是可能的么?会是什么样的呢?如果要在一个游戏里放入这样的生物,可以怎么呈现它们?

 

A:我之前提到了在我创造的世界中木星上的氨气应该是均匀混合在氢气中的,但是朱诺号的观测并不是这样。我想了很多年都没想明白,而且我们的数据分析也没有错。当然我的模型中是没有“类似于孢子的浮游生物把氨气给吃了”这种机制的,我也很想知道如果有了这种机制之后氨气会不会变得和朱诺号的观测一致。今后我可能需要和生物学家来评估可能性,以及设计一些生物的过程,现在这方面不是我的特长。如果有经费,我可以设计一款飞行器在木星的大气中飞一圈,做一下实地测量就能马上知道到底有没有这种生物了。我之前玩过一款游戏叫“孢子”,我想如果这款游戏的设定可以借鉴“孢子”

 

Q:最近国内也有许多太空文创展览或艺术出现,李成老师在国内外有看过哪些特别好的太空文创?期待太空文创走向什么样的方向?

 

A:这方面我不是特别清楚,但我们朱诺团队有和音乐家Vangelis 合作推出了专辑“Juno to Jupiter”. https://www.totalntertainment.com/music/vangelis-announce-new-album-juno-to-jupiter/

 

 

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