【摘要】人類嘗試正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位，歷經數千年的漫長歲月，但直到1957年成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星后，人類才真正進入太空疆域。通過系統(tǒng)回顧人類探索宇宙的階段性歷史，梳理人類在觀察、理解、開發(fā)、利用宇宙的過程中認知不斷深化的歷史動因，能夠較為全面地展現宇宙探索活動的復雜性、必要性和緊迫性，進而更為深刻地理解航天事業(yè)的時代價值。
【關鍵詞】宇宙探索 科技強國 航空航天 【中圖分類號】B016.8 【文獻標識碼】A
2022年6月5日，搭載神舟十四號載人飛船的長征二號F遙十四運載火箭在酒泉衛(wèi)星中心成功發(fā)射，三名航天員順利進駐天和核心艙，意味著中國空間站首次在有航天員的狀態(tài)下迎接航天器來訪，標志著天宮空間站的關鍵技術驗證階段圓滿結束，建造階段正式開始。2022年11月29日，搭載神舟十五號載人飛船的長征二號F遙十五運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射，三名航天員順利進駐中國空間站，與神舟十四號航天員乘組首次實現“太空會師”。建成空間站是建設科技強國的標志性成果，對建設航天強國具有里程碑意義。習近平總書記指出：“建造空間站、建成國家太空實驗室，是實現我國載人航天工程‘三步走’戰(zhàn)略的重要目標，是建設科技強國、航天強國的重要引領性工程。”
人類嘗試正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位，歷經數千年的漫長歲月，但直到1957年成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星后，人類才真正進入太空疆域。在不到70年的時間里，航天為何已經成為國家整體戰(zhàn)略中不可或缺的部分？人類為何要孜孜以求地研究天體的運動方式、航天器的設計制造以及外層空間的生態(tài)環(huán)境？通過系統(tǒng)回顧人類探索宇宙的階段性歷史，梳理人類在觀察、理解、開發(fā)、利用宇宙的過程中認知不斷深化的歷史動因，能夠較為全面地展現宇宙探索活動的復雜性、必要性和緊迫性，進而更為深刻地理解航天事業(yè)的時代價值。
不同時期的宇宙觀測
對于古代先民而言，掌握日月星辰位置變化的規(guī)律，可以為日常生活、農業(yè)生產、典禮祭祀等服務。不同地區(qū)的人們都通過對天空和星體的觀測劃分季節(jié)和編制歷法。公元前3000年左右，古埃及人根據對尼羅河河水漲落以及天狼星的長期觀察，制定了最早的太陽歷。這一歷法將一年定為365天，與回歸年只有四分之一天的歲差。大約在公元前5世紀，古巴比倫人就已經知道了黃道，并把黃道帶劃分為十二個星座，以神話中的神或動物命名，這套符號（即黃道十二宮）沿用至今。中國出土的武乙時期(約公元前1300年)的牛胛骨上已經完整地刻上了六十干支；在甲骨卜辭中還有相當數量的日月食、新星、超新星的記載。中世紀，阿拉伯人建造了巴格達智慧宮、馬拉蓋天文臺及撒馬爾罕天文臺等世界一流的天文觀測機構；創(chuàng)制了精巧便攜的觀星導航工具——星盤。同時通過翻譯和研究包括托勒密的《天文學大成》在內的大量古希臘文獻，將天文學這門重要的自然學科傳承了下來。
1576年，丹麥天文學家第谷在汶島建立了世界上最早的大型天文臺。第谷一生中進行了四十余年不間斷的天文觀測，為16世紀提供了最完整、最精密的觀察資料，是望遠鏡出現以前僅用肉眼觀測所能達到的最高水平。他的工作是近代科學精密定量精神的體現。1609年，意大利物理學家伽利略首次使用自制的望遠鏡觀察太空，發(fā)現了凹凸不平的月面、太陽自轉、金星的相位變化以及木星的四個衛(wèi)星等一系列重要現象。1668年，英國物理學家牛頓發(fā)明了第一臺反射式望遠鏡。1781年，英國天文學家威廉·赫歇爾用自制的反射式望遠鏡發(fā)現了天王星。1840年，美國科學家約翰·W·德雷珀拍攝了已知的第一張清晰月球照片，自此天體攝影逐漸取代裸眼觀察成為天文學的主要研究方法。
20世紀50年代，美國天體物理學家斯皮策首先提出把望遠鏡放入太空，以消除地球大氣層遮蔽效應的建議。20世紀70年代，美國開始實施“大型軌道天文臺計劃”（Great Observatories），共研制并發(fā)射了4臺大型空間望遠鏡，取得了證明超新星存在黑洞、測得目前最精確的宇宙膨脹速度等重大成果。2021年12月25日，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空，被認為是哈勃空間望遠鏡的“繼任者”。
對宇宙運行機制的持續(xù)探問
在天象測錄之外，人類也一直試圖對表象背后更深層的宇宙運行機制作出合理解釋。古希臘人將天文學視作關于天體運動的科學，使用嚴密的數學和物理理論來創(chuàng)建宇宙模型。亞里士多德提出宇宙是以靜止的地球為中心的同心球體，并分為不完美的月下區(qū)域（成分是四元素）和完美的月上區(qū)域（成分是以太）。他的觀點經幾代哲學家不斷改進，最終在公元2世紀由羅馬屬埃及的天文學家托勒密形成完善的“地心說”。“地心說”復雜的圓周理論（本輪—均輪模型）能夠以較高精度計算天體的軌道，又與中世紀基督教神學思想契合，因此長期盛行于古代歐洲。但由于“地心說”無法解釋的觀測事實越來越多，在文藝復興和人文主義運動的影響下，人們開始嘗試描繪一幅新的宇宙圖景。
1543年，波蘭天文學家哥白尼的《天體運行論》出版，提出了“日心說”。其革命性的觀點——地球和其他行星一并圍繞宇宙中心的太陽運動——打破了地球靜止和區(qū)分地球與天空的傳統(tǒng)觀點，挑戰(zhàn)了人類對自身和世界的認識。1572年11月—1574年3月第谷對仙后座超新星從爆發(fā)到不可見的連續(xù)觀測以及在1577年對大彗星的觀察，徹底推翻了亞里士多德“天體不變”的觀點。1609年—1618年，德國天文學家開普勒一直致力于尋找和量化行星運動的物理原因，經過縝密的計算，發(fā)現了著名的行星運動三定律，使得宇宙探索真正走上了科學的軌道。1609年，伽利略用望遠鏡觀察到一系列重要現象，為“日心說”提供了強有力的證據，并開辟了依靠精密儀器和實驗解釋天體運動的新時代。
1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中提出物體運動三大定律和萬有引力定律，奠定了經典力學的基礎。1705年，哈雷運用牛頓定律計算并預言了彗星的回歸時間，這顆彗星被命名為“哈雷彗星”。1759年3月，“哈雷彗星”如期而至，完美驗證了牛頓的理論。可以說，牛頓實現了自然科學第一次理論性大綜合，拉開了18世紀啟蒙運動的序幕，宇宙從此成為完全理性的、可以認知的研究對象。1845年，英國天文學家約翰·亞當斯利用萬有引力定律，預言天王星后面還存在一顆行星在影響著天王星的軌道。一年之后，人們在理論預言的軌道位置真的發(fā)現了這顆行星，也就是海王星，宣告了萬有引力理論的徹底勝利。
1859年前后，英國天文學家威廉·哈金斯通過對天體光譜的分析發(fā)現其它恒星和太陽都有相同的組成元素，首次推翻了太空是由特殊物質“以太”組成的結論。1868年，英國天文學家洛克耶和法國天文學家讓森通過對太陽光譜的分析發(fā)現了“氦”元素。這些工作標志著天體物理學的誕生。1916年，愛因斯坦提出廣義相對論，指出任何具有一定質量的物體都會使它周圍的空間發(fā)生彎曲，使經典力學體系下無法解釋的水星近日點進動問題迎刃而解。他進一步指出時間并非以恒定的速度流逝，而是和觀測者的狀態(tài)有關。這個概念對于一些衛(wèi)星具有很重要的意義，例如全球定位系統(tǒng)，因為它們的正常工作都依賴于高精度的原子時鐘。
可以說，在太空時代到來之前，依靠人類智慧和輔助工具，學者們構建的宇宙模型已愈發(fā)精確。然而，人類對宇宙全面直觀的認知還有待將探測器和宇航員送入太空的努力。
進入宇宙空間的準備過程
進入宇宙是人類自古以來的夢想。在17世紀，牛頓已經從運動學上計算出邁向星空所要達到的“第一宇宙速度”。20世紀上半葉，這一目標分為兩個階段逐漸成為現實。
第一階段是現代航天理論的建立。1903年，俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基發(fā)表《利用反作用力設施探索宇宙空間》一文，從理論上論證了利用液氧和液氫做燃料的多級火箭可以達到地球軌道的逃逸速度，奠定了火箭運動的基本理論。1919年，美國物理學家羅伯特·戈達德發(fā)表了《到達超高空的方法》，這是第一篇關于使用火箭進行太空旅行的實用論文。1923年，德國物理學家赫爾曼·奧伯特的《飛往星際空間的火箭》一書，確立了火箭在宇宙空間推進的基本原理，并推動了1927年火箭業(yè)余團體“太空旅行協(xié)會”的成立。赫爾曼·奧伯特的著作使得大批德國青年對火箭產生興趣，其中就包括“現代火箭之父”馮·布勞恩。
第二階段是火箭技術的發(fā)展與應用。因對長程攻擊武器的需求，德國陸軍在1932年開始推進液態(tài)燃料火箭實驗。1942年，馮·布勞恩帶領團隊研制出世界上第一種彈道導彈（V-2導彈）。1944年6月20日，德軍V-2火箭試射（編號MW 18014）成功穿越卡門線進入外太空，成為人類歷史上第一個飛行至太空的人造物體。V-2火箭是之后所有太空發(fā)射器的原型。
二戰(zhàn)結束后，美國和前蘇聯均在德國的研究基礎上繼續(xù)從事火箭及其他航天技術的研究，例如1946年—1952年，美國將V-2火箭改裝為探空火箭，創(chuàng)立了X射線天文學這門新的學科。20世紀50年代，各種類型的導彈武器相繼問世，形成了導彈武器系統(tǒng)，同時也積累了研制運載火箭的經驗，建立了與之配套且初具規(guī)模的工業(yè)設施。聚硫橡膠和高氯酸銨復合推進劑等的研制成功，使制造大型固體火箭發(fā)動機成為現實。經過近半個世紀的積累，將人造衛(wèi)星送入軌道已具備可行性。
1957年10月4日，前蘇聯成功把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星（斯普特尼克1號）送入太空。這次任務探知了地球高空大氣的密度，且為后續(xù)發(fā)射積累了寶貴的經驗，正式宣告太空時代的到來。首顆衛(wèi)星的成功發(fā)射震驚了西方世界，甚至在美國引發(fā)了“斯普特尼克危機”，直接導致1958年10月美國國家航空航天局（NASA）的成立。此后美蘇兩國更是展開了持續(xù)20余年的太空競賽。航天活動頻率增加、目的多樣，推動宇宙探索進入利用太空、管理太空的新階段。
太空時代的宇宙探索
1957年至今，人類送入地球軌道的衛(wèi)星已經超過1.3萬顆；僅2021年，全球就實施了146次發(fā)射任務，發(fā)射航天器總數量達1846個。可以說，宇宙探索已經進入以航天活動為主的規(guī)?；瘯r期。航天活動因任務的目的和難度有所區(qū)別，可以分為地球應用衛(wèi)星、載人航天和深空探測三大領域。
地球應用衛(wèi)星是發(fā)射數量最多的航天器。應用衛(wèi)星的發(fā)展非常迅速。1960年4月1日，美國發(fā)射了全球第一顆氣象衛(wèi)星“泰羅斯1號”，開創(chuàng)了從太空觀測地球大氣的新時代。1960年8月12日，美國發(fā)射了第一顆專門用于全球通信的衛(wèi)星“回聲1號”，奠定了現代衛(wèi)星通信的基礎。從20世紀70年代起，通信、遙感、導航等不同用途的應用衛(wèi)星體系開始建立。美國在1973年啟動全球定位系統(tǒng)計劃，1995年達到完全運行能力。20世紀80年代以后，應用衛(wèi)星朝著長壽命、多用途方向發(fā)展，基本形成了商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務市場。進入21世紀，應用衛(wèi)星朝著低成本、小型化發(fā)展，衛(wèi)星產業(yè)成為商業(yè)航天的主要組成部分。
載人航天是當今世界技術最復雜、難度最大的航天工程，目前只有前蘇聯（俄羅斯）、美國和中國三個國家能夠實現獨立將人類送入太空。載人航天的發(fā)展大致可以分為三個階段。第一階段是人類進入太空的嘗試。1961年4月12日，前蘇聯宇航員尤里·加加林乘坐“東方1號”宇宙飛船環(huán)球飛行成功，實現了世界上首次載人宇宙飛行。這次飛行證明了當時在技術上已經解決失重及再入大氣層等難題。1965年3月18日，前蘇聯宇航員阿列克謝·列昂諾夫搭乘“上升2號”宇宙飛船，進行了史上首次太空行走。第二階段是載人登月計劃。為了扭轉首輪太空競賽中的不利地位，美國于1961年5月宣布啟動“阿波羅計劃”，旨在完成載人登陸月球和安全返回地球的目標。1969年7月20日，“阿波羅11號”飛船的登月艙降落在了月球表面。阿姆斯特朗與奧爾德林代表人類首次踏上月球，成為轟動世界的歷史性事件。第三階段是多用途載人航天器的開發(fā)。這一時期，美蘇兩國都將載人航天活動的重點轉向可長期、重復、綜合利用的載人航天器，但各有側重。前蘇聯在1971年—1982年共發(fā)射了7個“禮炮”號空間站。1996年4月26日，俄羅斯最終建成人類首個可長期居住的空間研究中心“和平號”空間站。美國則主要致力于航天飛機計劃。歷史上共有5架航天飛機曾執(zhí)行過飛行任務。30年中，5架航天飛機成功完成133次飛行任務，包括發(fā)射、維修衛(wèi)星以及空間站、運送人員和物資等，最引人注目的是哈勃空間望遠鏡的發(fā)射及其在軌維護。然而，兩次機毀人亡的災難性事故暴露了航天飛機在設計和技術上的重大缺陷，全部航天飛機因安全問題在2011年7月21日正式退役?？臻g站和航天飛機雖然是兩種不同的技術路徑，但二者的經驗都為“國際空間站”的建造提供了助力。國際空間站于1998年11月開始建造，采用桁架掛艙式結構。作為當今功能最完善、合作范圍最廣的載人航天項目，國際空間站為人體學、生物學、物理學等眾多領域提供了大規(guī)模的空間科學研究與試驗平臺。
深空探測是指脫離地球引力場，將飛行器送入行星際軌道的探測活動。1958年，前蘇聯研發(fā)出了能夠加速到第二宇宙速度的月球探測器“月球2號”及“閃電號”運載火箭，并連續(xù)發(fā)射了多個月球、金星和火星探測器，開始對太陽系進行深入探索。迄今，人類已經探測過太陽系的7顆行星、太陽、彗星和小行星，實現了在火星、金星、土衛(wèi)六等天體上的軟著陸，并于2005年成功執(zhí)行了撞擊彗星的任務。人造航天器最遠已經飛到了太陽系的邊緣。
作為后發(fā)國家，中國的航天事業(yè)采取循序漸進、逐步擴展的策略，以“東方紅一號”“神舟五號”“嫦娥一號”為三大里程碑，首先具備了進入宇宙空間的能力，隨后發(fā)展了宇宙空間應用能力，在國家經濟實力壯大后，開始發(fā)展載人航天和深空探測能力。
宇宙探索的時代價值
宇宙探索的歷史，是計時、歷法、航海等實際需求促成天文學誕生，通過探索宇宙指導人類社會生產進步的歷史；是天文學和數學、物理等其他基礎學科相互滲透和促進，領導自然科學革命的歷史；是借助各種先進儀器研究天體的物理狀態(tài)，解析宇宙奧秘的歷史；是航天器、運載工具、控制系統(tǒng)等多種要素組合，完成航天任務的歷史?？傮w而言，當前的宇宙探索活動在多個方面體現了自身的價值。
首先，宇宙探索是人類認識客觀世界的重要途徑。一方面，作為制高點的宇宙空間提供了全球觀察的場所，可以對地球進行各種目的的大范圍觀測；另一方面，研究其它行星能夠幫助人類確切了解地球在太陽系中的地位。在科學史上，以“日心說”的提出為肇端，幾代學者接續(xù)完成了一場天文學革命，最終促成以物理學革命為主的科學革命，深刻地影響了人類文明進程。
其次，宇宙探索是高新技術和前沿科學的誕生地和練武場。一方面，航天工程是最復雜的科技集成系統(tǒng)之一，它的發(fā)展將會帶動巨型火箭、微波雷達、無線電制導、合成材料、自動控制、真空技術、低溫技術、半導體技術等一大批高技術領域的發(fā)展。另一方面，在外層空間獨特的高真空、微重力、超低溫、強輻射環(huán)境中，可以開展針對新材料、新工藝以及生物制品的綜合研究，檢驗各種極端物理條件下的物理理論。
最后，宇宙探索是衡量國家實力的重要標志。隨著各種航天器的大量部署和應用，國家對宇宙空間的爭奪已成為影響戰(zhàn)爭勝負的關鍵。各類衛(wèi)星從偵察、監(jiān)視、預警、導航、通信和氣象保障等方面支援地面、海上和空中作戰(zhàn)，成為不可或缺的作戰(zhàn)支援力量。因此，在當下和未來的國家安全戰(zhàn)略中，要想不受制于人，必須擁有明確的宇宙探索目標和相當的宇宙探索實力。
（作者為北京大學哲學系教授、博導；北京大學哲學系科技哲學專業(yè)博士研究生李芳薇對本文亦有重要貢獻）
責編/孫渴 美編/李祥峰
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