清华大学教授毛淑德:“杞人忧天”,胸怀宇宙,观天之文
【MBA中国网讯】2019年1月13日,清华五道口金融EMBA & EE 2019新年思想汇在清华大学蒙民伟音乐厅举行,汇聚各行业领军企业家,以“TED秀”的形式分享他们在经济转型升级时期,面对未来的不确定性,对坚守与变革的思考,以及“一带一路”倡议下的新挑战与新机遇。来自清华五道口金融EMBA、科学企业家、金融CEO等各教育项目共300余名师生到场参与。
科学企业家项目授课教授、清华大学天体物理中心主任毛淑德, 以“杞人忧天”的典故为引,生动分享了天文学家进行天体研究的意义。他指出,一直以来,人们都在寻找颠覆性技术,但这些颠覆性的技术可能不是从地面而来,而是从天而降。未来,只有把金融、经济、文化、天文这样的基础学科加在一起,才能够真正地实现中华民族的伟大复兴。
以下内容为演讲实录:
刚才听了很多企业家的演讲,大家都在讲一个词“不确定性”,就是说大家都在担忧,忧国忧民,担忧经济、担忧金融,有时候也会担忧股票降得太快。
我觉得今天活动的组织者大概觉得在座各位的心胸还可以放得更宽,可以担忧更多的东西,比如说担忧天,因为天是世界上最大的东西。
我们中国人都知道《杞人忧天》的故事,说的是杞国有一个人担心天会塌下来以致废寝忘食,我觉得他显然是一个非常好的天文爱好者。他的朋友担忧他太担忧这件事,所以就去开导他,说天就是气,我们的身躯都在气当中,能自由伸展,有什么必要去担心天会不会坠落呢?
我们这个天文爱好者没有马上被说服,他说如果天真的是气的话,那么日月星宿难道就不会掉下来吗?去开导他的人说,日月星宿只是气当中发光的东西,掉下来又怎么会砸伤你呢?这个人听了之后,顿然完全放心了,自在了。这个理论包括了中国古代文化里面的气,非常优美的,但如果恐龙还健在的话,它们对这个理论大概是不会认可的。
其实小天体撞击,在太阳系的形成历史上是非常多的。我们现在知道恐龙的灭绝,大概是在6600万年前,有一颗小行星撞击到了地球,落在了墨西哥湾,砸出了一个直径180公里,深几十公里的大坑。它引起了核冬天(指核武器爆炸引起的全球性气温下降),大气中产生了大量的尘埃,挡住了太阳光,造成了地球上大概75%左右的动物和植物的消亡,包括恐龙。
这样的撞击事件在太阳系早期形成上的例子非常多,比如说我们现在看到的月球的正面、反面,都有很多的陨石坑,其中包括冯卡门陨石坑,就是我们玉兔2降落的地方。
图为月球上的陨石坑;箭头所示为玉兔2降落的冯卡门陨石坑
如果你去看地球上陨石坑的分布,就会发现一个非常有意思的特征。首先你看到美国的陨石坑非常多,中国的陨石坑非常少 - 2007年左右我们才发现中国境内位于辽宁省的第一个陨石坑。我有时候开玩笑,是上帝对中国人特别地友好,而想给“美国人”点颜色看看吗?
图为地球上的陨石分布
为什么中国的陨石坑这么少呢?我有一个地理学家朋友告诉我,有一部分原因可能是中国大陆地质背景十分复杂,中国南方在几亿年前大概是一个海洋,而华北地区相对地比较稳定,所以在那里发现了一个陨石坑。但也可能是我们对陨石坑的搜寻还没有完全尽力?
如果人类不想重复恐龙的命运的话,我们必须对天上小天体进行巡天搜寻并对他们的轨道进行精确测量。这一方面美国的NASA,还有他们的海军天文台都加入了巡天工作,包括地面还有太空的望远镜,都在搜寻和跟踪慧星和其他的小天体。中国的科学家也在做,但是我觉得我们的努力还可以更多。
近年来天文学家发现的近地小行星的数目增长非常快,如果我们把太阳系和小行星的轨迹做成一个动画,地球就像在小天体的海洋里面游泳一样,真的让人担心这些小天体会撞击地球。
图为近地小天体的发现数目随时间的变化
在上图中,我们可以看到近地小天体的总数(蓝线)已经接近20000颗;直径超过140米的小天体(黄线)已经达到8000多颗;直径在一公里以上的数目(红线)已经达到1000颗。令人欣慰的是,直径大于一公里的小天体数目,基本上没有变化,也就是说这么大的天体,天文学家基本上已经发现了。
人们估计,如果有直径为10公里的小天体撞击地球的话,就会引起恐龙毁灭这样的事件。如果有一个直径为100公里左右的小天体撞击的话,整个人类都会被毁灭。所以说天文学家,其实起着司天的作用。
那么我们是否不用担心直径100米以下的小天体和地球的撞击呢?不是的。比如2013年2月15号,一颗小天体划过俄国天空,留下了非常美丽的轨迹,最后“石头”落到了地面上。这是一个直径大约20米的石头,以20公里每秒的速度穿过天空,最后对很多的建筑物造成了很大的破坏,上千人因此而受伤。尽管这个天体很小,但如果以很快的速度掉到地球上,也会引起很大的破坏。所以我们的巡天计划,还要不懈努力。为什么会造成这么大的破坏呢?因为这个小天体的能量大概是广岛原子弹的30倍,你可以想象它的破坏力有多大。
如果有一天我们确实发现有个小天体会砸到地球上,我们应该怎么办?这个时候是不是要像电影《世界末日》里描写的那样,给演员布鲁斯·威利斯打电话,让他的钻井队到小天体上去打井呢?这个在科学上是完全不可取的。因为那个是不可控的,存在很大的不确定性。原来砸不到我们的天体,很可能钻井之后,砸到了我们,造成了人类毁灭。
那我们应该怎么办呢?最关键的是要及早发现和地球撞击的天体。如果发现的早,我们可以发射一个小卫星上去,非常温柔地改变它的轨道,让它“失之毫厘、差之千里”。这个方案科学家们已经有一些研究,关键在于要及早发现,所以巡天搜索非常关键。
天文学家还有什么其他的担忧呢?其实我们担心的东西很多,比如超行星的爆发、伽玛射线的爆发。另外一个是长期的隐忧,就是担忧太阳会不会从东边出来。为什么这么说呢?小学生都知道,太阳系的轨道非常规则,有八大行星绕着太阳转动。为什么我们还要担忧太阳会不会从东边出来呢?
太阳从东边出来,其实科学上有一个假设,即这个系统一定是稳定的,没有什么不确定性。其实早在300年前,牛顿发现万有引力的时候,就已经在深深地担忧了。原因非常简单,如果只有一个太阳和一个地球,数学上可以解析的解决这个问题,发现地球的轨道是一个椭圆,而且数学上可以证明它的是稳定的。但问题是,牛顿当时发现万有引力的时候,他已经知道有六大行星。你可以想象六大行星轨道是不一样的,周期是不一样的。有时候几个行星之间的距离可以很小,力可以很大,加速度也可以很大,所以它们的轨道的变化也可以相对得比较大。
当时牛顿在研究这个问题之后,觉得太阳系很可能是不稳定的。那他怎么办呢?他觉得上帝可能会很友好,太阳系快要散架的时候,他会来梳理一下,使太阳系重新稳定。所以有时候我们对牛顿相信上帝这事不理解,其实牛顿可能是想得比我们深,看得比我们远,最后他不得不相信上帝。
这个问题困扰了300年来很多的数学家,包括拉普拉斯、高斯、拉格朗日,还有庞加莱,他们都对太阳系的稳定性进行了很多研究。最后是庞加莱得出了正确结论,他发现太阳系的长期演化中是混沌的,跟刚才那位演讲人讲的很像,她提到了蝴蝶效应。意思是两个系统开始时有非常接近的初始条件,经过长期的演化后会有截然不同的结果。数学上非常有名的是罗伦兹吸引子,就是这样一个经典的例子。这也是刚才刚才提到、天气预报里面说的蝴蝶效应,即纽约的蝴蝶展不展翅膀,可能会影响到北京有没有风,有没有雾霾;混沌是非线性系统经常出现的一个行为。
太阳系里面有八大行星,还有其他小天体,我们知道他们的位置、速度,虽然比较精准,但总是有不确定性的。让计算机从初始条件开始,对太阳系的长期演化进行跟踪,人们就发现它也是混沌的。
左上面这个图是太阳系的初始条件,你可以看到水星、金星、地球、火星的轨道,互不相交。用计算机对太阳系的长期演化进行模拟,发现在33亿年以后,在误差之内,可以有很不同的结果。右上、左下与右下是3个例子,都是在误差之内允许的演化结果。他们非常不同,比如说右上图中水星的轨道跟金星的轨道可以相交,而右下图中则是金星的轨道和地球的轨道相交而有可能碰撞,我们的命运可想而知。
而且计算机模拟告诉我们,太阳系有1%的可能会因为混沌而产生毁灭性的结果。这里我们还得感谢爱因斯坦,因为如果是牛顿的经典引力,那其实太阳系毁灭的可能性是30%,这其实是非常高的,我想人类可能因此而产生很大的危机感。但由于爱因斯坦的广义相对论,这个可能性降到了1%。
另外一个好消息是这种相撞的可能性大概是几十亿年之后,所以我们现在还不需要马上担心。即便如此,另外考虑到太阳会演化成为红巨星(可能)会吞噬地球,所以从长远看,人类必须考虑星际旅行,这样才能保证我们人类长期地生存下去。你可以看到,天文学家的担忧有近有远,近可以关系到我们人类在短期之内的生存,远可以关系到太阳系长期的稳定性。
我希望你们以后都有机会到夏威夷去,像右面这个人一样,在夏威夷的圣山之巅用肉眼看美丽的银河系。但真要看到浩渺的宇宙,必须用山上的许多大望远镜才能做到;这些望远镜的建造和仪器都用到了很多的高科技,这些高科技从何而来?其实都源于400年前伽利略把他的一个小望远镜对准了天空,观天、忧天,而引发的一场自然科学根本性的革命。现在天文学家能利用高科技来打造大望远镜,并利用他们看到宇宙的边缘,让我们理解宇宙的诞生和最后的命运。
有时候我开玩笑说,颠覆性的技术我们都想寻找,但这些颠覆性的技术有可能不是从地面而来,而是从天而降。
最后我想说一个民族不仅要有人像你们一样担心这个国家的经济、金融,也得有一部分人做“杞人忧天”的工作。我想尤其在清华这样的大学和中国这样的泱泱大国,确实得有人胸怀宇宙、观天之文。
我觉得只有把金融、经济、文化、天文,这样的基础学科加在一起,才能够真正地实现中华民族的伟大复兴,使我们这个民族重新登上文明之巅,谢谢!
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