2021年，中國航天奉獻了一次次驚喜：4月，“天和”号核心艙進入預定軌道，标志着中國空間站時代即将開啟；6月，空間站階段首次載人飛行任務神州十二号發射成功，三個月後三名航天員順利傳回地面；10月，神舟十三号飛船發射成功，中國空間站迎來了首位女性航天員。
在上周，翟志剛、王亞平、葉光富三位航天員還在“天和”号為青少年帶來了精彩的太空科普課，讓更多人了解航天員在天上做什麼，感受到了我國航天事業的蓬勃發展。
向太空進發，依靠的是航天技術的突破以及實體學的發展。我們有幸看到這一系列盛事，離不開中國當代最頂尖科學家和工程師多年以來的努力與付出。
在騰訊攜手中國宋慶齡基金會為青少年定制的公益欄目“給孩子們的大師講堂”第二季，神舟飛船首任總設計師戚發轫、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠、中國科學院高能實體研究所所長王贻芳三位院長依次登場，為青少年講述科學家在背後所完成的工作。
正是他們，還有大批一起默默奉獻着的人，承載着各種“國之重器”的制造，無論是蓄勢待發的中國空間站、尚在構想中的月球科考站，還是即将建成的江門中微子實驗站……讓我們在宇宙探索中，邁出了一個個堅定步伐。
從神舟載人到中國空間站
戚發轫@給孩子們的大師講堂
上世紀60年代，還在研究火箭運載飛彈的戚發轫并沒有想到，他要在将來的某一天研究如何運載人。1992年，中國啟動921工程，正式開展三步走的載人航天事業，先後主持了三代東方紅衛星設計的他，便在同年受命擔任神舟飛船總設計師。
後面的故事我們都知道了，2003年，這位神舟之父親手簽字把楊利偉送上天，又親自把他接了回來。
戚發轫在“大師講堂”中介紹了中國飛船設計的獨特之處
比起前蘇聯和美國，中國的載人飛船試驗晚了三十年，但這有個好處，能夠充分利用前人已有的經驗與知識，避免了從零開始。神舟最具技術創新意義的一點，莫過于獨特的留軌方案：以往其他國家的飛船，軌道艙與傳回艙分離後就成了沒有用處的太空垃圾，而神舟飛船的軌道艙還能在軌停留半年，繼續一系列觀測。
921工程計劃在實作發射載人飛船和突破出艙技術及交會對接技術的基礎上，建造中國自己的空間站。空間站，指的是一種在近地軌道上長時間運作、可供多名航天員長期駐留開展實驗的載人航天器。
我們用了30年時間來反複試驗，接近這個目标，2021年4月29日，随着新一代運載火箭長征五号B将“天和”号核心艙送入預定軌道，中國空間站時代開啟。同年發射的神舟十二号和神舟十三号會對空間站關鍵技術進行驗證。2022年将發射“問天”和“夢天”兩個實驗艙，與核心艙組成T字形結構。這個呼之欲出的空間站取名為“天宮”，将于我們頭頂300千米外每天繞地球16周，你可以在合适的天氣條件下看到它掠過。
2022年中國空間站将完成在軌建設
不僅僅是一個“坐地日行，巡天遙看”的工具，天宮空間站更是一個絕佳的實驗場。110立方米密封艙内規劃了16個專用科學實驗櫃和7個通用實驗櫃，另外有3個艙外暴露實驗裝置，可進行空間生理、生命科學、流體實體、材料科學、天文學和地球觀測在内的各種研究。
空間站有許多地面所不具備的實驗條件。舉例來說，太空中一個重要實體特征是失重，失重具體會對細胞群組織器官層面的生物産生什麼影響呢？
這是來自挪威科技大學醫學和健康科學院的翠西亞·拉魯斯迫切想要了解的問題，她的項目"太空中的惡性良性腫瘤"有望在2025年左右入駐中國空間站。研究人員準備把來自同一個人的健康組織和癌症組織的三維幹細胞器官送入太空，看看細胞的DNA如何受到失重和宇宙輻射的影響，甚至其中是不是可以找到新療法的契機。和以前太空中的類似研究隻用到了簡單二維細胞不同，這個實驗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，是屬于全人類的事業
今年7月《自然》雜志透露，中國載人航天工程辦公室（CMSA）已經初步準許了1000多項實驗，其中部分是聯合國外層空間事務辦公室（UNOOSA）推薦的，即将投入運轉的中國空間站面向全世界各國開放，正如戚發轫院士在一個采訪中所說，“應該創造條件，為整個世界人類服務”。
從嫦娥探月到月球科研站
探測月球關系着人類未來
猶記得十多年前，中國剛剛進入月球探測工程的啟動階段，我們經常可以看到當時已年近古稀的歐陽自遠老人，奔波于各個會場，向對此提出質疑的聽衆解釋，為什麼要花大筆錢去月球上鏟回一把土。其實，這筆錢比起很多地面工程并不算多，隻是它的用途似乎過于遙不可及。
“繞、落、回”，中國航天人把探月任務分成了謹慎的三步。2007年嫦娥一号實作了一期“繞”的目标；2013年嫦娥三号成功着陸月球虹灣以東地區，實作了二期“落”的目标，突破并掌握了地外天體軟着陸技術，在此基礎上，2018年嫦娥四号完成了人類探測器首次着陸月球背面的壯舉；2020年嫦娥五号着陸月球風暴洋北部呂姆克山附近，采得1731克月壤樣品後返地，進而實作了三期“回”的目标。
不到兩千克天外來土，曆史意義不同凡響，這是人類44年來又一次重新去到月球帶回了新的月球樣本，也是中國完成的第一次外星天體取樣任務。
四十多年前，歐陽自遠作為一名研究地質化學的科學家，和同行們得到了當時美國總統卡特的安全事務顧問贈送給中國上司人的月壤中的一半。他們憑借着這0.5克研究材料，一共發表了14篇論文，就在那時，歐陽自遠萌生了我們也要去月球的想法。1958年到1993年，他用了35年做月球探測的前期準備，接着又用了10年論證可行性與必要性。
月岩攜帶着許多我們想要知道的秘密
從純粹科學角度來講，探索月球，對于了解地球早期曆史至關重要。一種理論認為，46億年前，地球誕生于太陽系塵埃之中，在第一個十億年間與名叫忒伊亞的行星相撞，撞擊出來的碎片通過不斷融合最終成為月球。這之後地球發生着天翻地覆的巨變，有了海洋、獨特的大氣、數不清的生物，及至今日，最初面目已不可辨，而我們寄望于冷寂月球尚保留着可供追溯的遠古史料。
月球上有着讓我們羨慕的核燃料儲量
而從實用角度來講，月球作為最靠近地球的天體，是我們飛往深空的前哨。探明上面的可用資源、開發利用途徑非常有必要。月球有着大量地球所沒有的理想核聚變燃料氦-3，而月球岩石的組成和地球基本接近，含有矽、鋁、鐵和鎂等元素的氧化物為主的礦物。如果想要把月球更好利用起來，依靠飛船往返顯然不現實，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年中國航天大會和6月16日全球空間探索大會上，中國探月團隊透露了下一步計劃，準備在月球南極地區建站，先從無人自主運作入手，遠景再加入人參與。在不久的将來，嫦娥七号任務将開展月球南極資源詳查，對那裡的地形地貌、物質成分、空間環境進行綜合探測。
從大亞灣中微子實驗到江門中微子實驗
王贻芳@給孩子們的大師講堂
上世紀80年代，王贻芳在歐洲跟着諾貝爾獎得主丁肇中一起研究高能粒子。他一直記得導師說過，要做實驗就要做最好的實驗，方方面面都要領先國際水準。這個理念讓他在此後的實驗設計中，都力求完美與超前。
後來他回到中國，進入高能實體研究所，不久後便投身于大亞灣中微子實驗的建造。
中微子是什麼？它是這個世界上我們最常見的陌生訪客。每一秒鐘有萬億個這種粒子穿過你的身體。但别說你無從感覺它，科學家也在很長一段時間裡對此束手無策——它幾乎不與其他物質發生作用，隻能借助于精巧的實驗裝置來捕捉。
它的發現，是實體學領域的幽靈故事。大約一百年前，有人發現原子核在發生放射性β衰變時，放出的電子能量總是不一樣，誰也無法解釋這動搖能量守恒的現象是如何發生的。
1930年，實體學家泡利宣稱找到了孤注一擲的補救，即假定衰變中放出電子同時還發射了另一個電中性的、弱互相作用的、品質很小的粒子。他把它叫做中子，但因為和我們現在都知道的中子重名，另一位實體學家費米給改了個名，即中微子，意思是小的中性的東西。
中微子，被譽為一種幽靈粒子
令人尴尬的是，當時所有的實驗手段都無法把它找出來。直到20世紀50年代，事情才發生轉機，世界上出現了一些大型核電站，可以作為豐富的中微子源，有探測器趁此抓住了其中的蛛絲馬迹。
一種看似和這個世界不發生關系的粒子，找到它有什麼意義？對于王贻芳這樣的高能實體研究者來說，它身上蘊含着新的實體學，“中微子是一座科學的富礦，是開啟宇宙奧秘的一把金鑰匙”。我們想要了解宇宙起源、想要搞清超新星爆炸中的很多問題、想要知道為什麼物質大大多于反物質……可能都要從中微子下手。
大亞灣中微子實驗在2011年12月做出了一個關于中微子的重要發現，找到了它的第三種振蕩模式，和其他四個中微子振蕩實驗一起，獲得了2016年的國際基礎實體學突破獎。中微子振蕩指的是中微子在傳播過程中，會從一種類型變成另一種類型（已知一共有三種中微子）。
實體學實驗對設計者的要求很高
關于中微子還有許多待解決的問題，比如三種已知類型的中微子如何進行品質比較？想要找到答案，需要更大的探測器來捕捉更多的中微子信号才行。
大亞灣實驗站在2020年底退役，下一個被給予厚望的是江門中微子實驗站。它計劃于2022年投入使用，将成為世界上最強大的中微子實驗之一。
為了建成規模達到大亞灣實驗一千倍的江門實驗，王贻芳帶着施工隊挖到了700米深的地下，放置了一個13層樓高的有機玻璃球殼，它被43000個光探測光電管所覆寫，并注入20000公噸的特殊配方液體。當核電站或者地下元素核衰變發出的中微子到達探測器後，其中某幾個會和液體作用，發出閃爍光，這樣就能被光電倍增管捕捉，轉成電信号記錄下來。
中微子探測需要靈敏度極高的光電倍增管
高能實體研究所的團隊和合作機關一起研發了實驗所需的光電倍增管，自己設計，自己找地方生産。為什麼搞高能粒子的人還要去搞光電管？出于兩個理由：一個當然是為了節省大量的經費；另一個是因為之前最好的光電倍增管探測效率隻有15%，而他們自行設計的則提高到了30%。這意味着，同樣的付出，可以得到雙倍的回報。
在不同的時代不同的領域，有人上天，有人入地，都是為了去解答那些可能會改變人類命運的疑惑，帶着我們走向可期的未來。三堂給孩子們的大師課，通過學科知識的基本介紹，以及極富感召力的故事，傳遞了科學家們對于科學最真摯的熱愛，以及對将要繼承他們科學事業的未來者的厚望。願你能接住這份擁抱未知、探索世界的勇氣。
參考文獻
[1]https://news.ifeng.com/c/87Mz9jXGs6g
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/nsAHPNMHvLzMP05RekqV2g
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-021-02018-3
[4]https://partner.sciencenorway.no/cancer-research-gravity-human-spaceflight/can-weightlessness-stop-cancer-from-growing/1572353
[5]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/356394.shtm
[6]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_4970901
[7]雷·賈亞瓦哈納 等，《中微子獵手》，上海科技教育出版社，2015
[8]https://mp.weixin.qq.com/s/qt-jtVhlSqNpNlj0BYNP-g
[9]https://www.scientificamerican.com/article/powerful-new-observatory-will-taste-neutrinos-flavors