行星科學(xué)：科學(xué)前沿與國家戰(zhàn)略

魏 勇 朱日祥

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029

2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

1 基于行星科學(xué)引領(lǐng)的深空探測是未來太空競爭的基石

自然科學(xué)以探索大自然為主要任務(wù)。從伽利略開始，現(xiàn)代自然科學(xué)以觀察和實驗為主要研究手段。因此，以地球為探索對象的地球科學(xué)，成為最早形成的自然科學(xué)學(xué)科之一。隨著現(xiàn)代天文學(xué)的誕生，借助望遠鏡等遠距離觀察工具，自然科學(xué)的研究范圍超越了地球及周邊，走向了行星乃至宇宙。20 世紀 60 年代美國發(fā)展出了行星科學(xué)，借助深空探測技術(shù)，可以對太陽系行星及周邊進行實地觀察和直接實驗，或者將月球與行星樣品帶回地球進行觀察和實驗，實現(xiàn)了以地球科學(xué)的研究方式來研究行星，引領(lǐng)了人類探索自然的一次巨大飛躍。

美國的行星科學(xué)引領(lǐng)了深空探測技術(shù)的進步，極大地帶動了綜合國力的提升。深空探測技術(shù)是人類觀察、感知和實驗?zāi)芰υ谔罩械难油?，其發(fā)展水平?jīng)Q定了行星科學(xué)的發(fā)展。行星科學(xué)對行星的探索需求不斷提高，指引和促進了深空探測技術(shù)的發(fā)展。深空探測技術(shù)的根基是國家科技水平與工業(yè)基礎(chǔ)，其發(fā)展水平是綜合國力的集中體現(xiàn)。美國實施“阿波羅登月計劃”過程中，約有 2 萬家企業(yè)、200 多所大學(xué)和 80 多個科研機構(gòu)參與，總?cè)藬?shù)超過 30 萬人。該計劃促進了許多領(lǐng)域的技術(shù)進步，催生了液體燃料火箭、微波雷達、無線電制導(dǎo)、合成材料、計算機、無線通信等一大批高科技工業(yè)群體，極大地提升了美國的國防實力和綜合國力。其后數(shù)十年，該計劃取得的技術(shù)進步成果逐步轉(zhuǎn)向民用，帶動了美國科技與工業(yè)的發(fā)展，造就了社會與經(jīng)濟的繁榮。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，和平與發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主題，但是科技實力和綜合國力的競賽從未結(jié)束。20 世紀 50 年代末至 80 年代初，美蘇爭霸的“主戰(zhàn)場”即 “太空競賽”，成為勝利者的美國依靠行星科學(xué)的引領(lǐng)，實現(xiàn)了自然科學(xué)研究、深空探測技術(shù)和綜合國力水平的共同提升，并且形成良性循環(huán)，成為獨一無二的超級大國。自 20 世紀 90 年代中期至今，競賽的格局發(fā)生了變化：美國全面引領(lǐng)，歐盟與日本穩(wěn)步發(fā)展，中國強勢崛起，印度、以色列等新興國家陸續(xù)加入，蘇聯(lián)的主要繼承者俄羅斯業(yè)已展示復(fù)興雄心。今天，行星科學(xué)水平的高低已然成為衡量一個國家的科技實力和綜合國力的重要指標(biāo)之一，是未來太空競爭的基石。

2 我國行星科學(xué)的發(fā)展需求與現(xiàn)實困境

我國自 21 世紀初開始實施深空探測計劃。10 多年間，“嫦娥工程”4 次探測均圓滿成功，取得了舉世矚目的國際影響力。黨的十九大之后，新的系列深空探測計劃逐漸明晰，昭示著我國必然要走向行星科學(xué)強國，行星科學(xué)的發(fā)展迫在眉睫。但是，我國的行星科學(xué)學(xué)科卻始終孕而不誕。

事實上，國家戰(zhàn)略早已明確了行星科學(xué)的發(fā)展需求?！丁笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃》把“深空、深海、深地、深藍科學(xué)研究”列為戰(zhàn)略性前瞻性重大科學(xué)問題，并指出，“深空”應(yīng)當(dāng)“圍繞太陽系及地月系統(tǒng)起源與演化、小行星和太陽活動對地球的影響、地外生命信息探尋等重大科學(xué)問題，以提升我國深空探測與科學(xué)研究能力水平為目標(biāo)，力爭獲取一批原創(chuàng)性科學(xué)成果”。《國家自然科學(xué)基金“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出，“重點支持類地行星起源與演化研究等重大科學(xué)問題”“重點扶持行星物理等學(xué)科的發(fā)展”。

我國行星科學(xué)發(fā)展困在何處？根源是人才匱乏。科學(xué)研究要成果，深空探測要技術(shù)，全都要靠人才。人才匱乏的原因是什么？癥結(jié)是行星科學(xué)學(xué)科的缺失。人才梯隊的成長靠教育和培養(yǎng)，而我國一直沒有行星科學(xué)學(xué)科，何談教育培養(yǎng)體系！美國的行星科學(xué)教育培養(yǎng)體系早在 50 年前就已經(jīng)建立，而我國的行星科學(xué)研究仍然以交叉學(xué)科的形式散落于地球科學(xué)和天文學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科的邊緣?！丁笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃》等明確了科學(xué)研究戰(zhàn)略，卻并沒有相應(yīng)的人才培養(yǎng)戰(zhàn)略與之配套。行星科學(xué)水平是綜合國力的體現(xiàn)，行星科學(xué)學(xué)科則是行星科學(xué)的“發(fā)動機”。沒有學(xué)科支撐的科學(xué)研究是無源之水，這正是我國行星科學(xué)發(fā)展的困境原因。因此，我國的行星科學(xué)教育體系必須盡快建立，并將其納入到國家戰(zhàn)略中來。

3 我國行星科學(xué)發(fā)展的出路與前景

毫無疑問，行星科學(xué)是國家自然科學(xué)和綜合國力的重要體現(xiàn)。美國的行星科學(xué)是在深空探測戰(zhàn)略的實施過程中誕生的，但曾在太空競賽先期領(lǐng)先的蘇聯(lián)并沒有發(fā)展出高水平的行星科學(xué)，人才的流失與缺乏是其深空探測事業(yè)沒落又難以復(fù)興的關(guān)鍵因素。這充分說明，行星科學(xué)并不必然在深空探測中自然快速地生長出來。我國應(yīng)當(dāng)怎樣發(fā)展行星科學(xué)？我們認為，關(guān)鍵在于“高起點、快發(fā)展、廣交叉、深融合”。

高起點、快發(fā)展。行星科學(xué)源自地球科學(xué)和天文學(xué)等學(xué)科的交叉。地球科學(xué)是我國最具國際影響力的基礎(chǔ)學(xué)科之一。例如，中國地球科學(xué)家主導(dǎo)的“華北克拉通破壞”相關(guān)研究在 2014、 2015 年連續(xù)成為國際地學(xué)領(lǐng)域研究熱點。我國地球科學(xué)工作者也正在積極探索科學(xué)引領(lǐng)深空探測的發(fā)展模式。例如，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在 2010 年研討制定了中國首次金星探測方案，以金星多圈層耦合和宜居性演化為主要目標(biāo)。另一方面，得益于國際深空探測數(shù)據(jù)的開放政策和國家對人才引進的強力支持，我國的行星科學(xué)已經(jīng)深度融入國際學(xué)界，并形成了良好的發(fā)展態(tài)勢：高水平的行星科學(xué)人才團隊已經(jīng)初具規(guī)模，行星科學(xué)人才培養(yǎng)體系已經(jīng)萌芽，行星科學(xué)相關(guān)專業(yè)組織陸續(xù)成立，行星科學(xué)相關(guān)期刊影響力不斷擴大。這些優(yōu)勢形成了我國行星科學(xué)發(fā)展的高起點，能夠在國家戰(zhàn)略的指引下實現(xiàn)快發(fā)展。

廣交叉、深融合。當(dāng)今的行星科學(xué)，已經(jīng)不同于 50 年前初誕之時。20 世紀 60 年代深空探測水平較低，僅能得到行星空間和表面的信息，行星科學(xué)家主要活躍在美國地球物理學(xué)會和美國天文學(xué)會。自 1969 開始，“阿波羅登月計劃”陸續(xù)采回 382 千克月壤，地球化學(xué)家開始變得重要。時至今日，行星科學(xué)的主要研究目標(biāo)演變?yōu)樾行牵òǖ厍颍┑钠鹪磁c演化，主要研究內(nèi)容為行星物質(zhì)成分與多圈層結(jié)構(gòu)，絕大部分研究方法與思路也是在地球科學(xué)范疇?？梢哉f，行星科學(xué)發(fā)展水平的提高則取決于與傳統(tǒng)地球科學(xué)學(xué)科及其他相關(guān)領(lǐng)域交叉的廣度與融合的深度。我國地球科學(xué)學(xué)科門類齊全，基礎(chǔ)雄厚，優(yōu)勢鮮明，這給行星科學(xué)的發(fā)展提供了絕佳的基礎(chǔ)。另一方面，隨著 500 米口徑球面射電望遠鏡（FAST）等重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的完成，我國的天文學(xué)正在迎來一次騰飛。我國的行星科學(xué)通過廣交叉和深融合汲取營養(yǎng)，實現(xiàn)高起點和快發(fā)展。

當(dāng)前，我國的全球影響力正在快速提升，建立行星科學(xué)一級學(xué)科迫在眉睫且正逢其時。通過“高起點、快發(fā)展、廣交叉、深融合”發(fā)展行星科學(xué)，可以加快完善我國自然科學(xué)學(xué)科布局，培養(yǎng)世界一流的人才梯隊，也是我國深空探測由大變強的必由之路。