给未来科学家的三堂课

2021年，中国航天奉献了一次次惊喜：4月，“天和”号核心舱进入预定轨道，标志着中国空间站时代即将开启；6月，空间站阶段首次载人飞行任务神州十二号发射成功，三个月后三名航天员顺利返回地面；10月，神舟十三号飞船发射成功，中国空间站迎来了首位女性航天员。

在上周，翟志刚、王亚平、叶光富三位航天员还在“天和”号为青少年带来了精彩的太空科普课，让更多人了解航天员在天上做什么，感受到了我国航天事业的蓬勃发展。

向太空进发，依靠的是航天技术的突破以及物理学的发展。我们有幸看到这一系列盛事，离不开中国当代最顶尖科学家和工程师多年以来的努力与付出。

在腾讯携手中国宋庆龄基金会为青少年定制的公益栏目“给孩子们的大师讲堂”第二季，神舟飞船首任总设计师戚发轫、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳三位院长依次登场，为青少年讲述科学家在背后所完成的工作。

正是他们，还有大批一起默默奉献着的人，承载着各种“国之重器”的制造，无论是蓄势待发的中国空间站、尚在构想中的月球科考站，还是即将建成的江门中微子实验站……让我们在宇宙探索中，迈出了一个个坚定步伐。

戚发轫@给孩子们的大师讲堂

上世纪60年代，还在研究火箭运载导弹的戚发轫并没有想到，他要在将来的某一天研究如何运载人。1992年，中国启动921工程，正式开展三步走的载人航天事业，先后主持了三代东方红卫星设计的他，便在同年受命担任神舟飞船总设计师。

后面的故事我们都知道了，2003年，这位神舟之父亲手签字把杨利伟送上天，又亲自把他接了回来。

戚发轫在“大师讲堂”中介绍了中国飞船设计的独特之处

比起前苏联和美国，中国的载人飞船试验晚了三十年，但这有个好处，能够充分利用前人已有的经验与知识，避免了从零开始。神舟最具技术创新意义的一点，莫过于独特的留轨方案：以往其他国家的飞船，轨道舱与返回舱分离后就成了没有用处的太空垃圾，而神舟飞船的轨道舱还能在轨停留半年，继续一系列观测。

921工程计划在实现发射载人飞船和突破出舱技术及交会对接技术的基础上，建造中国自己的空间站。空间站，指的是一种在近地轨道上长时间运行、可供多名航天员长期驻留开展实验的载人航天器。

我们用了30年时间来反复试验，接近这个目标，2021年4月29日，随着新一代运载火箭长征五号B将“天和”号核心舱送入预定轨道，中国空间站时代开启。同年发射的神舟十二号和神舟十三号会对空间站关键技术进行验证。2022年将发射“问天”和“梦天”两个实验舱，与核心舱组成T字形结构。这个呼之欲出的空间站取名为“天宫”，将于我们头顶300千米外每天绕地球16周，你可以在合适的天气条件下看到它掠过。

2022年中国空间站将完成在轨建设

不仅仅是一个“坐地日行，巡天遥看”的工具，天宫空间站更是一个绝佳的实验场。110立方米密封舱内规划了16个专用科学实验柜和7个通用实验柜，另外有3个舱外暴露实验装置，可进行空间生理、生命科学、流体物理、材料科学、天文学和地球观测在内的各种研究。

空间站有许多地面所不具备的实验条件。举例来说，太空中一个重要物理特征是失重，失重具体会对细胞和组织器官层面的生物产生什么影响呢？

这是来自挪威科技大学医学和健康科学院的翠西亚·拉鲁斯迫切想要了解的问题，她的项目"太空中的肿瘤"有望在2025年左右入驻中国空间站。研究人员准备把来自同一个人的健康组织和癌症组织的三维干细胞器官送入太空，看看细胞的DNA如何受到失重和宇宙辐射的影响，甚至其中是不是可以找到新疗法的契机。和以前太空中的类似研究只用到了简单二维细胞不同，这个实验所使用的器官模型更接近于自然形态，具有被模仿器官的特征。

太空探索，是属于全人类的事业

今年7月《自然》杂志透露，中国载人航天工程办公室（CMSA）已经初步批准了1000多项实验，其中部分是联合国外层空间事务办公室（UNOOSA）推荐的，即将投入运转的中国空间站面向全世界各国开放，正如戚发轫院士在一个采访中所说，“应该创造条件，为整个世界人类服务”。

探测月球关系着人类未来

犹记得十多年前，中国刚刚进入月球探测工程的启动阶段，我们经常可以看到当时已年近古稀的欧阳自远老人，奔波于各个会场，向对此提出质疑的听众解释，为什么要花大笔钱去月球上铲回一把土。其实，这笔钱比起很多地面工程并不算多，只是它的用途似乎过于遥不可及。

“绕、落、回”，中国航天人把探月任务分成了谨慎的三步。2007年嫦娥一号实现了一期“绕”的目标；2013年嫦娥三号成功着陆月球虹湾以东地区，实现了二期“落”的目标，突破并掌握了地外天体软着陆技术，在此基础上，2018年嫦娥四号完成了人类探测器首次着陆月球背面的壮举；2020年嫦娥五号着陆月球风暴洋北部吕姆克山附近，采得1731克月壤样品后返地，从而实现了三期“回”的目标。

不到两千克天外来土，历史意义不同凡响，这是人类44年来又一次重新去到月球带回了新的月球样本，也是中国完成的第一次外星天体取样任务。

四十多年前，欧阳自远作为一名研究地质化学的科学家，和同行们得到了当时美国总统卡特的安全事务顾问赠送给中国领导人的月壤中的一半。他们凭借着这0.5克研究材料，一共发表了14篇论文，就在那时，欧阳自远萌生了我们也要去月球的想法。1958年到1993年，他用了35年做月球探测的前期准备，接着又用了10年论证可行性与必要性。

月岩携带着许多我们想要知道的秘密

从纯粹科学角度来讲，探索月球，对于了解地球早期历史至关重要。一种理论认为，46亿年前，地球诞生于太阳系尘埃之中，在第一个十亿年间与名叫忒伊亚的行星相撞，撞击出来的碎片通过不断融合最终成为月球。这之后地球发生着天翻地覆的巨变，有了海洋、独特的大气、数不清的生物，及至今日，最初面目已不可辨，而我们寄望于冷寂月球尚保留着可供追溯的远古史料。

月球上有着让我们羡慕的核燃料储量

而从实用角度来讲，月球作为最靠近地球的天体，是我们飞往深空的前哨。探明上面的可用资源、开发利用途径非常有必要。月球有着大量地球所没有的理想核聚变燃料氦-3，而月球岩石的组成和地球基本接近，含有硅、铝、铁和镁等元素的氧化物为主的矿物。如果想要把月球更好利用起来，依靠飞船往返显然不现实，最有效的，就是建立月球科考站。

下一站，月球科研站

在今年4月底2021年中国航天大会和6月16日全球空间探索大会上，中国探月团队透露了下一步计划，准备在月球南极地区建站，先从无人自主运行入手，远景再加入人参与。在不久的将来，嫦娥七号任务将开展月球南极资源详查，对那里的地形地貌、物质成分、空间环境进行综合探测。

王贻芳@给孩子们的大师讲堂

上世纪80年代，王贻芳在欧洲跟着诺贝尔奖得主丁肇中一起研究高能粒子。他一直记得导师说过，要做实验就要做最好的实验，方方面面都要领先国际水平。这个理念让他在此后的实验设计中，都力求完美与超前。

后来他回到中国，进入高能物理研究所，不久后便投身于大亚湾中微子实验的建造。

中微子是什么？它是这个世界上我们最常见的陌生访客。每一秒钟有万亿个这种粒子穿过你的身体。但别说你无从感知它，科学家也在很长一段时间里对此束手无策——它几乎不与其他物质发生作用，只能借助于精巧的实验设备来捕捉。

它的发现，是物理学领域的幽灵故事。大约一百年前，有人发现原子核在发生放射性β衰变时，放出的电子能量总是不一样，谁也无法解释这动摇能量守恒的现象是如何发生的。

1930年，物理学家泡利宣称找到了孤注一掷的补救，即假定衰变中放出电子同时还发射了另一个电中性的、弱相互作用的、质量很小的粒子。他把它叫做中子，但因为和我们现在都知道的中子重名，另一位物理学家费米给改了个名，即中微子，意思是小的中性的东西。

中微子，被誉为一种幽灵粒子

令人尴尬的是，当时所有的实验手段都无法把它找出来。直到20世纪50年代，事情才发生转机，世界上出现了一些大型核电站，可以作为丰富的中微子源，有探测器趁此抓住了其中的蛛丝马迹。

一种看似和这个世界不发生关系的粒子，找到它有什么意义？对于王贻芳这样的高能物理研究者来说，它身上蕴含着新的物理学，“中微子是一座科学的富矿，是开启宇宙奥秘的一把金钥匙”。我们想要了解宇宙起源、想要搞清超新星爆炸中的很多问题、想要知道为什么物质大大多于反物质……可能都要从中微子下手。

大亚湾中微子实验在2011年12月做出了一个关于中微子的重要发现，找到了它的第三种振荡模式，和其他四个中微子振荡实验一起，获得了2016年的国际基础物理学突破奖。中微子振荡指的是中微子在传播过程中，会从一种类型变成另一种类型（已知一共有三种中微子）。

物理学实验对设计者的要求很高

关于中微子还有许多待解决的问题，比如三种已知类型的中微子如何进行质量比较？想要找到答案，需要更大的探测器来捕捉更多的中微子信号才行。

大亚湾实验站在2020年底退役，下一个被给予厚望的是江门中微子实验站。它计划于2022年投入使用，将成为世界上最强大的中微子实验之一。

为了建成规模达到大亚湾实验一千倍的江门实验，王贻芳带着施工队挖到了700米深的地下，放置了一个13层楼高的有机玻璃球壳，它被43000个光探测光电管所覆盖，并注入20000公吨的特殊配方液体。当核电站或者地下元素核衰变发出的中微子到达探测器后，其中某几个会和液体作用，发出闪烁光，这样就能被光电倍增管捕捉，转成电信号记录下来。

中微子探测需要灵敏度极高的光电倍增管

高能物理研究所的团队和合作单位一起研发了实验所需的光电倍增管，自己设计，自己找地方生产。为什么搞高能粒子的人还要去搞光电管？出于两个理由：一个当然是为了节省大量的经费；另一个是因为之前最好的光电倍增管探测效率只有15%，而他们自行设计的则提高到了30%。这意味着，同样的付出，可以得到双倍的回报。

在不同的时代不同的领域，有人上天，有人入地，都是为了去解答那些可能会改变人类命运的疑惑，带着我们走向可期的未来。三堂给孩子们的大师课，通过学科知识的基本介绍，以及极富感召力的故事，传递了科学家们对于科学最真挚的热爱，以及对将要继承他们科学事业的未来者的厚望。愿你能接住这份拥抱未知、探索世界的勇气。