04 | 环境：为什么贫瘠的太空反而是优势？

你好，我是彭天放。欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

这一讲我们来看卫星的第三个独特优势环境优势。

那你可能会有疑问了，卫星所在的这个真空失重的贫瘠环境，为什么反而还会有优势呢？

这就需要你认识一个对于科研工作者来说非常重要的概念环境干扰。

1.地球环境有什么干扰？

如果你对实验科学有一些了解，你就会知道科学家大部分的工作时间，其实都用在了寻找和消除各种干扰因素上。为了避免干扰，甚至不惜付出很大的经济代价。

比如，北京的地铁15号线，其实是一条断头地铁。

这条线路本来是想从东向西修到中关村附近，但是刚好因为路线上有大量清华、北大和中科院的研究所，为了避免地铁造成的地面震动对于科研设备的干扰，就被迫地截断在了五道口。

这是不是有点小题大做了呢？还真不是。环境干扰对科研的影响实在是太大了。

除了让实验做不出来有价值的研究成果之外，历史上甚至还有让科学家家破人亡的例子。

在18世纪有一位法国的天文学家叫让蒂。在他的年代，观测金星凌日这个天文现象是一个重要的研究领域。

但是，金星凌日现象又非常罕见。它罕见到什么程度呢？

每隔243年才会出现两次，而且这两次中间只相隔8年。

本来让蒂的运气不错，整个18世纪仅有的观测机会，都被他赶上了。不幸的是，他把观测地点选在了印度。

第一次观测的时候，政府不让船靠岸。在海浪的振动干扰下，根本就没法进行天文观测。

于是，他干脆就在印度苦守了8年。

在第二次观测的当天，天空中居然来了一片乌云，观测又失败了。

这个例子确实有点悲剧成分。但是地球环境对天文观测的干扰，却是一直无法摆脱的一个重要问题。除了地面的振动、电磁波的污染这些因素之外，大气层本身就是最大的干扰源。

人类透过大气层来看宇宙，通俗地说，就像是得了散光加色盲。

什么叫散光呢？那就是因为大气层的冷热不均匀，地面观测到的天空时刻处在抖动和模糊之中。这就像是在水下看水面上的物体一样。

而说色盲，是指的大气层其实屏蔽了很多的宇宙射线。这一方面，当然是保护了地球上的生命，但是另一方面，很多非常有价值的观测波段，比如说伽马射线、X射线波段，在地面上就没法观测。

2.太空环境为什么有利于观测？

说到这儿你应该听出来了，太空环境贫瘠到一无所有，恰恰是卫星的环境优势。

因为这刚好可以帮助很多的科研观测，摆脱地球上的环境干扰。

1946年，美国天文学家莱曼·斯皮策写了一份报告，叫作《大气圈之外的天文观测优势》，第一次系统地阐述了把天文台搬到太空的想法。

1970年开始，美国和欧洲的科学家们开始筹划一种大型空间轨道天文台。而到了1982年，这个项目终于有了一个正式的名称哈勃空间望远镜。

哈勃望远镜是至今寿命最长，而且也是最成功的科学卫星之一。至今已经工作了将近30年，进行了100多万次的拍摄。它的观测能力，一经使用就刷新了大量纪录，是当时地面最好望远镜的7倍，相当于从北京看到一只在纽约的萤火虫。

那近视的问题解决了，色盲的问题怎么办呢？也能通过卫星解决。

比如说我国在2015年发射的悟空号暗物质探测卫星，就是一个能观测高能宇宙辐射的科学卫星。这些辐射能够帮我们看到一些宇宙中最神秘的天文现象，比如黑洞和暗物质活动的痕迹。

科学卫星的优势，比起地面确实是太显著了。甚至连2019年的诺贝尔物理学奖，也跟科学卫星有关。

2019年10月，两位来自瑞士的天文学家梅厄和奎洛兹教授，因为开启了发现地外行星这个研究领域，获得了诺贝尔物理学奖。

发现地外行星这个领域，让人类可以从真正的意义上开始探讨移民系外太空的可能。但是，因为地外行星本身不发光，亮度非常低，在过去用传统的观测手段往往很难发现。

为了发现系外行星，通常就要采用间接的观测方法。

比如说，一种方法是通过行星在围绕它的恒星公转的时候，测定恒星微小的振动，从而确定行星的存在。这就像铅球运动员在投铅球的时候，假如铅球很黑，黑到了你已经看不见的程度，但是你看到了运动员的身体有周期性的晃动，你就可以判断它周围正在有一个物体运动。

还有一种方法，是行星在经过发光的恒星的时候，会遮挡住大概万分之一的光线。如果能够周期性地发现这些亮度减弱的现象，也可以确认一颗行星的存在。

但是你应该听出来了，这两种方法要求的观测精度非常高。

在地面的观测条件下，一阵风所带来的数据误差，可能都比我们想测量的行星数据本身还要大得多。所以在地面上，人们只用这种方法发现了少数条件非常极端的行星，比如说距离恒星特别近的或者本身就特别大的。

而空间望远镜的出现，就大大提高了天文学家的观测精度。让地外行星像是雨后春笋一样，从黑暗的宇宙中一下冒了出来。

截止到目前，人类一共确认的4000多颗系外行星里面，绝大部分都是卫星发现的。

其中我们单说开普勒太空望远镜，就发现了2734个系外行星，而且还发现了3312个疑似的案例。这相当于自发射以来，开普勒望远镜平均每天就能发现两颗系外行星或者疑似的案例。这在动不动就要花上几十年采集数据的天文学领域，简直是快得令人难以想象。

梅厄和奎洛兹他们的研究成果，就是伴随着科学卫星这个强大的工具，开启了大批量发现系外行星的时代。所以说，今年的诺贝尔物理学奖，与科学卫星这个有力的研究工具是分不开的。

目前，人类最强大的科学卫星平台是一台射电波段的太空望远镜，叫作詹姆斯·韦伯。作为下一代空间观测平台，它号称是哈勃望远镜的接班人。

这个望远镜的工作轨道，距离地球有150万公里，是月球到地球距离的4倍多，主镜片的面积是哈勃的7倍。并且在这种尺度下，镜面的加工精度还达到了纳米级别。

据报道，这个平台的综合观测能力将会是哈勃的100倍。不过这个项目也因为技术过于复杂，而且成本太高一再延期，最终的表现如何我们还得拭目以待。

3.为什么太空环境有利于实验？

太空望远镜作为一种科学卫星，让我们摆脱了地表的环境干扰。

但是，如果假设我们真的能够通过某种技术手段解决了地面的干扰信号，是不是就不需要科学卫星了呢？还真不是。

其实，这些年来越来越多的科学研究，都必须要放到卫星上进行。

你注意啊，这些科学研究可不是什么太空育种这种简单的实验，而是像暗物质的搜寻、广义相对论的验证、宇宙起源的观测，以及量子通信实验，这些真正处在物理学前沿的研究领域。

这是因为，当前很多物理学的理论假设，如果想要通过实验验证的话，都需要高能、大尺度的实验条件。而这些条件，有的时候只能在太空中找到。

2019年9月20号，我国潘建伟院士带领的团队，与国外合作者一起在《科学》杂志上发表了关于量子纠缠现象的最新研究成果。这项研究成果的主要实验工作，就是通过我国在2016年发射的墨子号科学卫星完成的。

要说天文观测还好理解，为什么物理实验也要拿到卫星上来研究呢？

这是因为，潘院士的研究主要是想通过实验，来验证一个希望统一量子力学和广义相对论的前沿理论模型，这个模型就必须要通过卫星的实验条件。

根据这个模型的推测，处在量子纠缠下的一对光子，如果其中一个在光源的附近传播，而另外一个穿过地球周边引力场形成了弯曲时空，这对纠缠的光子就有可能变得不那么纠缠了。

如果能够通过实验确实地测出这种变化，那就一定程度地验证了这个理论模型的正确性，从而，向量子力学和广义相对论的统一，也就是这个现代物理学的终极目标推进了一步。

上面尽管有很多的学术词汇，但你也应该听出来了，要进行这个实验至少要能够在太空中检测到光子的状态，所以就不得不在墨子号的科学卫星上进行。

顺便也提一句，这是国际上首次，在太空中利用卫星展开对于量子力学和引力理论关系的实验研究。我们应该为我国能够在这样的前沿领域取得突破而感到骄傲。

本讲总结

总结一下这一讲：

第一，所有的地面设备，特别是科研设备都要忍受地球上的环境干扰；

第二，太空贫瘠的环境恰好给科学卫星提供了摆脱地球环境干扰的科研环境；

第三，今天一些最前沿的科研活动也要通过卫星的实验条件才能够开展。

思考题：

最后，我给你留了一道思考题。我们在工作和生活中经常也会遇到各种各样的干扰或者噪声。你有没有通过改变环境或者周围的条件摆脱干扰，更好地完成目标的案例呢？希望你在留言区留下你的分享。

前面几讲，我们了解了卫星技术的三种独特优势，从下一讲开始，我们就来看看卫星技术面临的主要挑战有哪些。

网友互动

摄影，特别是景区摄影的时候，最恼人的就是满眼的人从众通常的解决办法，是改编拍摄视角，或者长时间曝光虚化人群等等。不过前些日子发行的一本故宫摄影集，它的作者却没有用这些常规的手段当然让故宫清空人群是不可能的，他只是每天第一个冲进故宫，最后一个离开。他抢或者等到了环境干扰最小的时机，达成了目的。

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我大学的专业是建筑工程，施工要求中有一条是设立施工围挡，其目的就是为了将建筑工地与周边环境进行隔离，以免互相干扰，造成各种不便，甚至是恶劣后果。

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改变环境和条件以达成目标，这种情况需要刻意为之。关键词在于主动，人会满足于现状，当周边的资源富饶而没有空余时，反而是一种更不真实的状况。我们大部分人都将其称之为舒适区。

常见问题：拖延是因为我们舒适区，简单的事物不断的搞复杂也是因为我们在舒适区，一个事情迟迟想不通也是因为处在舒适区。

解决方案：

1、制定deadline，想象完成之后的画面。

2、如无必要勿增实体，删繁就简，有限制才能发挥想象力。

3、找到事情的逻辑起点，有什么样的逻辑链条，通不通关键问题点在哪里，如何以最少的资源解决最关键的问题。

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摆脱干扰是为了将目标因素抽离于纷繁的环境，也就是聚焦目标。生活和工作中有很多这一方法的体现，大到国家的五年规划和精准扶贫，小到开会要设置议题而不是泛泛讨论，本质上都是一种筛选。医学上，随机对照试验就是为了摆脱无关因素的干扰，但不同于卫星的避开干扰，在避不开的情况下，就通过概率分布上的相互抵消来抹平干扰。

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其实，我们每个人日常的工作环境中，都是充满了各种各样的干扰和噪音的。通常情况下，每当我们要处理一些重要的、紧急的事情，哪怕只需要一个小时或者半个小时的时间，也总是有一些人或者一些其他的事情，让我们分心。比如说，有那么多定期的或者临时的会议需要参加，同事之间的对话或闲聊，电子邮件、手机通知等等许多干扰，要想保持高效并完成重要的事情，常常会让我们感觉面临挑战。面对这样的情况，最好的方法其实就是改变环境，比如说，难道我们就非得在办公室里办公吗？我们可以换一个安静的、轻松的环境，可以在家、也可在咖啡馆等地方。然后，将自己的电脑或智能手机设置为离线模式，让各种邮件、通知在收件箱中暂时堆积，直到我们完成了当前的工作之后，再回复它们。这种情况下，通过环境的改变，可以让我们在短时间内保持更高的工作效率，更好的完成当前的目标。

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詹姆斯韦伯望远镜（JWST）原本说18年就要发射，结果一推再推，至今未上天，给众多cnao考生带来了麻烦。不过毕竟是个日地L2点飞行器，维修困难，准备确实应该充分一些，而且光学加红外的反射式真的强大，非常期待。