財(cái)富的發(fā)動(dòng)機(jī)　創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)器

“地球是人類的搖籃，但人類不會(huì)永遠(yuǎn)待在搖籃里”。1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，標(biāo)志著人類進(jìn)入空間時(shí)代，與此同時(shí)，一門與人類的生存發(fā)展息息相關(guān)、持續(xù)改變?nèi)祟悓τ钪婵臻g認(rèn)知的科學(xué)——空間科學(xué)誕生了。空間科學(xué)雖然是一門年輕的學(xué)科，但是其研究的科學(xué)問題卻是人類數(shù)千年來孜孜不倦一直在尋求的，包括宇宙與生命的起源演化、太陽系行星的發(fā)展演化、太陽活動(dòng)的基本規(guī)律、地球的發(fā)展演化等。空間時(shí)代的到來使人類具備了進(jìn)入空間的能力，使人類有能力突破大氣層的干擾和屏障，利用新的手段為這些古老的問題尋找答案。近70年來，通過空間科學(xué)探測與研究，人類關(guān)于宇宙的教科書不斷被改寫，重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)與突破不斷涌現(xiàn)，徹底改變了人類對宇宙和自然的認(rèn)識(shí)。

空間科學(xué)是以航天器為主要平臺(tái)，研究發(fā)生在日地空間、行星際空間乃至整個(gè)宇宙空間的物理、天文、化學(xué)以及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。空間科學(xué)是典型的以技術(shù)實(shí)現(xiàn)為依托的實(shí)踐科學(xué)，空間科學(xué)的發(fā)展也持續(xù)驅(qū)動(dòng)空間技術(shù)和相關(guān)高技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，并不斷將新的理論與技術(shù)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為新的應(yīng)用，形成經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)效應(yīng)，是國際上公認(rèn)的“財(cái)富的發(fā)電機(jī)”“創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)器”和“新理論新知識(shí)的源泉”。

?1 空間科學(xué)是新理論新知識(shí)的源泉，不斷推動(dòng)人類文明進(jìn)步，并將為保障人類的生存發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)

回顧人類發(fā)展的歷史，不論是太陽中心說、萬有引力定律還是相對論、量子力學(xué)，每一次科學(xué)上的重大突破和本質(zhì)性的進(jìn)展，都大大推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展和文明的進(jìn)步。

愛因斯坦曾指出，“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍”。空間科學(xué)的研究對象包括宇宙、生命、暗物質(zhì)與暗能量、太陽的活動(dòng)規(guī)律和地球系統(tǒng)的發(fā)展演化等，占據(jù)著自然科學(xué)宏觀和微觀兩大前沿。當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的歷史已經(jīng)充分證明，大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展來自于對宇宙空間的探索。人類進(jìn)入太空時(shí)代以后，通過大量的空間科學(xué)衛(wèi)星和探測計(jì)劃，加速了宏觀前沿領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。僅在最近幾年，由于“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”的觀測，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量未知的天體，使人類的視界延伸至138億光年的距離，幾乎達(dá)到了宇宙自身自大爆炸以來膨脹的尺度，并使宇宙學(xué)的研究尺度到達(dá)了精確研究的階段。通過大量的可見光以及可見光以外的窗口，如X射線和微波的觀測，人類確認(rèn)了宇宙起源的大爆炸理論并發(fā)現(xiàn)了組成宇宙主要成分的暗物質(zhì)和暗能量。正是因?yàn)檫@些觀測和研究成果，2002年度和2006年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分別授予了成功探測到中微子、發(fā)現(xiàn)宇宙X射線源和發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式與各向異性的4位空間科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家;2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了通過觀測遙距超新星而發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的3位空間科學(xué)家，以表彰他們在開辟探測宇宙的新窗口和在增進(jìn)人類對宇宙的了解和認(rèn)識(shí)方面所作出的突出貢獻(xiàn);2019、2020、2021年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)亦分別授予了系外行星、黑洞和地球科學(xué)的理論與觀測研究。從1957年以來空間科學(xué)領(lǐng)域獲諾貝爾獎(jiǎng)的情況可以看出，近10余年來人類重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)越來越多地誕生于空間科學(xué)領(lǐng)域，并都是通過空間科學(xué)衛(wèi)星的觀測和數(shù)據(jù)分析所獲得的，空間科學(xué)作為新理論、新知識(shí)的源泉，得到了世界各科技強(qiáng)國的高度重視，并已成為競相發(fā)展、尋求革命性突破的重要科學(xué)領(lǐng)域。

除此以外，空間科學(xué)還將為人類在地球上的長期生存與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。一直以來，地球上物種的生存受到宇宙天體（小行星）撞擊、太陽劇烈活動(dòng)、火山爆發(fā)、氣候變化等多種因素的威脅，人類在地球上的生存還將承受著如全球變暖、生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性降低和自然資源枯竭等眾多因素的威脅。科學(xué)家普遍認(rèn)為，地球系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)力分為外強(qiáng)迫和內(nèi)強(qiáng)迫。外強(qiáng)迫是指太陽輻射、日地距離和地球軌道變化及小行星撞擊和火山噴發(fā)等;內(nèi)強(qiáng)迫是指地球系統(tǒng)大氣、海洋、冰雪、巖石和生態(tài)五大圈層內(nèi)部及之間的相互作用與調(diào)節(jié)機(jī)制。太陽輻射源源不斷地向地球系統(tǒng)提供其運(yùn)動(dòng)所需的能量;地球系統(tǒng)各大圈層內(nèi)能量循環(huán)、水循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)（碳/氮循環(huán)等）等過程及圈層之間的能量和物質(zhì)交換過程的共同作用，產(chǎn)生了目前既變化著的但又適宜人類生存發(fā)展的氣候環(huán)境。人類的起源只有200萬年的歷史，卻對地球環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，從最初的影響局地環(huán)境逐漸到影響全球環(huán)境。自人類工業(yè)革命以后，人類的影響變得越來越大，已成為目前地球系統(tǒng)變化中不可忽視的一大擾動(dòng)因素。而空間科學(xué)利用空間平臺(tái)居高臨下地觀測地球，研究地球系統(tǒng)五大圈層的相互作用與演化，以及水循環(huán)、能量循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)的變化、成因與未來發(fā)展趨勢，將極大提高我們對地球系統(tǒng)及其演變規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為人類的長期生存與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2、空間科學(xué)是創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)器，是實(shí)現(xiàn)科技領(lǐng)先的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域

空間科學(xué)的研究與發(fā)現(xiàn)需要通過發(fā)射衛(wèi)星，到空間去開展觀測、探測或?qū)嶒?yàn)，空間科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展充分體現(xiàn)了“科學(xué)引領(lǐng)技術(shù)，技術(shù)推動(dòng)科學(xué)”的相互支撐關(guān)系。空間科學(xué)衛(wèi)星是獲取空間科學(xué)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)發(fā)現(xiàn)的最重要途徑。空間科學(xué)衛(wèi)星與一般應(yīng)用衛(wèi)星有所不同，因“科學(xué)發(fā)現(xiàn)只有第一沒有第二”，欲實(shí)現(xiàn)新的發(fā)現(xiàn)必須在探測區(qū)域的選取、探測方案的設(shè)計(jì)、衛(wèi)星平臺(tái)的功能、探測儀器的精度或靈敏度乃至為降低發(fā)射成本而必需的儀器輕巧性和惡劣環(huán)境適應(yīng)性等方面都實(shí)現(xiàn)超越前人的突破。舉例來說，在軌道設(shè)計(jì)方面，即使是運(yùn)行于地球空間的科學(xué)衛(wèi)星，多數(shù)也都需要超出常規(guī)應(yīng)用衛(wèi)星軌道的特殊軌道設(shè)計(jì)，如大橢圓軌道、低傾角軌道、凍結(jié)軌道、編隊(duì)飛行軌道等;在深空探測計(jì)劃的推動(dòng)下，利用行星引力借力飛行的技術(shù)已普遍使用;近年來又出現(xiàn)了新的軌道設(shè)計(jì)理論，如星際高速公路理論。在星際航行推進(jìn)技術(shù)方面，已經(jīng)發(fā)展了太陽帆推進(jìn)技術(shù)和核推進(jìn)技術(shù)。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、熱控方面，科學(xué)衛(wèi)星已經(jīng)突破了平臺(tái)和載荷相對獨(dú)立的概念，形成了平臺(tái)和載荷一體化的設(shè)計(jì)理念，大量科學(xué)衛(wèi)星的構(gòu)型已徹底改觀。在有效載荷技術(shù)方面，科學(xué)觀測和探測需要得到在探測窗口、超高空間分辨率、超高靈敏度和超高時(shí)空基準(zhǔn)方面超過以往的數(shù)據(jù)，因此必須實(shí)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新。可以說每一項(xiàng)空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃都包含大量新的需求、新的設(shè)計(jì)、新的工藝以及新的材料，是推動(dòng)航天尖端技術(shù)創(chuàng)新和相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)器。

以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為例，由其發(fā)展起來的超精密鏡面光學(xué)加工、CCD成像、波前像差和熱電制冷等技術(shù)，推動(dòng)了地面光學(xué)成像與加工領(lǐng)域的革命性進(jìn)展;哈勃空間望遠(yuǎn)鏡自升空以來已多次進(jìn)行空間修復(fù)，極大地促進(jìn)了空間精巧機(jī)械技術(shù)、宇航員空間操作等航天尖端技術(shù)的發(fā)展，并開創(chuàng)了虛擬現(xiàn)實(shí)與應(yīng)用等新的領(lǐng)域。再如，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的“深度撞擊號(hào)”（Deep Impact）探測器經(jīng)過4.31億公里飛行，在距離地球1.5億公里處成功擊中了坦普爾1號(hào)彗星，其控制精度等同于“從130公里之外擊中一只蒼蠅的眼睛”，大大推動(dòng)了航天超遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)航與測控、空間攔截等技術(shù)的發(fā)展。

我國正在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)不能滿足我國科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。因此，發(fā)展空間科學(xué)，充分發(fā)揮空間科學(xué)作為原始創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的重要作用，全面帶動(dòng)我國航天和相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的跨越發(fā)展、并延伸至其他科技領(lǐng)域與產(chǎn)業(yè)，對提升我國科技實(shí)力和整體競爭力、實(shí)現(xiàn)科技領(lǐng)先具有重要戰(zhàn)略意義，也是我國發(fā)展成為航天強(qiáng)國的必由之路。

3、空間科學(xué)是財(cái)富的發(fā)電機(jī)，為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供新的動(dòng)力

空間科學(xué)致力于發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證新的空間現(xiàn)象和規(guī)律，通過空間科學(xué)研究所獲得的新知識(shí)和新理論將創(chuàng)造性地轉(zhuǎn)化到應(yīng)用領(lǐng)域，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力，并深刻改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。

一個(gè)典型的例子是美國的阿波羅計(jì)劃。通過阿波羅計(jì)劃產(chǎn)生了3000多項(xiàng)專利，其中有1300多項(xiàng)轉(zhuǎn)移到了國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，從醫(yī)用CT掃描儀到兒童尿不濕材料，從筆記本電腦到仿真技術(shù)，無不出自這一計(jì)劃。阿波羅計(jì)劃的實(shí)施，直接帶動(dòng)了美國微波雷達(dá)、遙控作業(yè)、無線電制導(dǎo)、超高強(qiáng)度和耐高溫合成材料、新型電子計(jì)算機(jī)、藥物及生物工程等領(lǐng)域的發(fā)展;今天美國航天工業(yè)、國防工業(yè)和許多民用工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，很大部分來自這一計(jì)劃的第二代或第三代技術(shù)或這些技術(shù)的衍生技術(shù);同時(shí)阿波羅計(jì)劃還激勵(lì)了數(shù)代年輕人懷抱科技夢想，踏入和從事科研與技術(shù)、工程等工作。

空間科學(xué)計(jì)劃也將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。空間提供的特有微重力、真空、高輻射等環(huán)境，可用于開展細(xì)胞、生物系統(tǒng)和藥物等方面的研究和實(shí)驗(yàn)。目前國際空間站上實(shí)施的部分生命和藥物方面的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)非常接近應(yīng)用，可望在近期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。空間材料科學(xué)的研究成果可望提供地面上難于獲得的高品質(zhì)材料，而其技術(shù)成果向地面轉(zhuǎn)移可以大大改進(jìn)地面材料的加工工藝。微重力流體科學(xué)開展的多相流過程及復(fù)雜流體研究，對于提高傳熱傳質(zhì)效率具有重要的作用;微重力條件下的燃燒實(shí)驗(yàn)研究，為揭示燃燒過程中的基本規(guī)律、發(fā)展燃燒理論開辟了一條有效的途徑，結(jié)合微重力燃燒科學(xué)的研究，對改善地球環(huán)境污染、提高能源利用效率具有良好的應(yīng)用前景。在量子信息科學(xué)領(lǐng)域，最先走向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)是量子通信，利用衛(wèi)星平臺(tái)的自由空間光子傳輸被公認(rèn)為是最切實(shí)可行的克服光子易被光纖信道吸收的弱點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)廣域乃至全球量子通信的技術(shù)途徑，通過在空間開展量子糾纏分發(fā)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可以開拓以量子密鑰為核心的保密通信新領(lǐng)域。隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，在不久的將來，作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器，為當(dāng)今信息化社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和可靠的安全保障，并將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

可以說，通過空間科學(xué)計(jì)劃，在獲取科學(xué)突破、持續(xù)牽引高技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，還將通過“輻射效應(yīng)”推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)生豐厚的回報(bào)。1990年前后，美國科學(xué)家就NASA在國民經(jīng)濟(jì)中的貢獻(xiàn)做過專門研究，得出的結(jié)論是：NASA開展的民用航天項(xiàng)目每投入1美元對美國國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生14美元的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)效應(yīng)。在2002年歐盟委員會(huì)發(fā)表的《航空航天二十一世紀(jì)戰(zhàn)略審議報(bào)告》中指出，歐洲的空間計(jì)劃在確保歐洲的安全與經(jīng)濟(jì)繁榮方面有著關(guān)鍵的戰(zhàn)略作用，是“財(cái)富的發(fā)電機(jī)”和“保持全球競爭力的支柱”，對空間活動(dòng)對歐洲所具有的重要戰(zhàn)略性作用給予了高度評價(jià)。

4、中國的空間科學(xué)發(fā)展展望

“卿云爛兮，糾縵縵兮。日月光華，旦復(fù)旦兮。”這首流傳至今的《卿云歌》表達(dá)了中國古人對宇宙空間的感知與贊嘆。進(jìn)入21世紀(jì)，地球空間“雙星探測計(jì)劃”和載人航天工程、月球探測工程等空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)的相繼開展，為我國空間科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2011年由中科院牽頭的空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的組織實(shí)施標(biāo)志著我國空間科學(xué)事業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，“十二五”期間立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)衛(wèi)星已于2015～2017年先后發(fā)射，我國從事空間科學(xué)領(lǐng)域的科技人員空前活躍，國際影響力與日俱增。

預(yù)計(jì)未來10～15年，在國家的穩(wěn)定支持下，在全國空間科學(xué)家和技術(shù)人員的共同努力下，我國將在宇宙的形成和演化、引力波與時(shí)空本質(zhì)、系外行星探索和地外生命的探索探尋、太陽系的形成與演化、太陽活動(dòng)及其對地球空間環(huán)境的影響、地球系統(tǒng)的發(fā)展演化、超越現(xiàn)有基本物理理論的新物理規(guī)律、空間環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生命活動(dòng)規(guī)律等前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新突破，躋身空間科學(xué)國際一流水平國家，同時(shí)極大促進(jìn)和推動(dòng)我國相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，為人類認(rèn)識(shí)宇宙、探索太空作出中華民族應(yīng)有的重大貢獻(xiàn)。

（原載《中國科學(xué)院院刊》，本報(bào)有刪減）