前沿科學的發展究竟能有多超乎想象？

有幸參與了這次騰訊WE大會的線上講解和答疑，更新一點參會感受吧。

最先感受到的是：現場效果非常棒！超出預期。遠不是看直播能體會到的。

180度球幕，展示效果灰常震撼↓

科技感十足↓

小細節也很貼心↓

還想誇獎一下現場的同傳，真的是非常專業和流暢。比不了比不了，太服氣了…

當然，最重要的還是，

現場嘉賓的講座內容專業且有趣

。

比如我負責線上網友答疑的地球物理學家Jennifer Jackson教授的講座。講實話，地球物理學是一門不能讓普通人從直觀上理解的一門學科，因為地球內部的物質分佈，其實是看不到摸不到的嘛。

為此，Jackson教授顯然是費了一番心思的。

用月球的大小來幫助讀者理解地球內部的密度異常區（也就是我們前面說的“腫瘤”）可以有多大↓

地震波超低速帶在哪裡↓

這些富集的高密度物質可能是什麼↓

總之，二十幾分鍾聽下來，並不覺得太過遙遠或抽象，而是對我們腳下的地球，那看不見的深處，有了更多認識。

Nature的現任掌門，Magdalena Skipper的講座我也超喜歡——《那些達爾文不知道如今的我們知道的事兒》（居然不是講《教你如何發Nature》orz）

從達爾文和小獵犬號講起，自然而然地引出達爾文之後的生物學和遺傳學發展到了什麼樣的情況。

手機拍的糊，理解一下orz

即使是我這種沒什麼生物學背景知識的人，也覺得很有意思，有了宏觀的體系認知↓

當然，癌症免疫學家Carl June、理論物理學家Brian Greene、高能物理學家王貽芳院士、騰訊首席探索官David Wallerstein、機器人研究科學家Hod Lipson、類腦計算科學家施路平主任的演講也都很精彩。

在《小宇宙》這樣一個宏大的話題裡，九個完全不同的領域作為前沿科學的代表，展現出了豐富多彩的延伸性。

想要重溫或者彌補沒有實時觀看的遺憾，這裡有一份直播回放可認領：

2019騰訊科學WE大會_2019騰訊科學WE大會_騰訊影片

我們的地球、月球、火星…太陽系裡所有的巖質星體內部都不是均質的。

這裡並不是在說殼幔核的分層差異，事實上，即使是同在殼層裡或者幔層裡，也不是完全質地均勻、密度不變的。

1966-67年間，5艘月球軌道器（Lunar Orbiter）系列探測器先後發射，目標是拍攝和繪製全月的高精度地圖，為接下來的阿波羅任務選擇合適的著陸點。

（左）月球軌道器；（右）月球軌道器5號拍攝的月面照片覆蓋的區域。來源：NASA/ L。 J。 Kosofsky， Farouk El-Baz

在這些任務的執行過程中，科學家們發現，探測器有時候不能按照預定的軌道飛行——當它飛到月球某些區域上空的時候，會

明顯受到更強烈的“吸引”

，這意味著月球內部的每一層並不是均質的——有些地方會有

高密度物質聚集

，就像

腫瘤

一樣。科學家們把這些稱為

質量瘤（mascon）

［1］。

這一發現發表於1968年的《科學》雜誌。來源：Science［1］

然而，這些“質量瘤”有多大？在哪裡？科學家們一時無法探知——畢竟，埋藏在地表以下的“腫瘤”，沒有“透視眼”又怎麼能知道呢。

包括重力、地震、磁場等諸多分支的地球物理學探測和研究——就是揭示天體內部結構和物質分佈的“透視眼”。

1

重力探測是天體內部物質分佈最直觀的反饋之一——腳下有高密度的物質聚集（腫瘤），那這裡的重力就大，反之，腳下有低密度物質聚集的區域（虛胖），這裡的重力就小。

所以，想要了解更多月球質量瘤的情況，我們需要

更高精度和解析度的月球重力場

資料。如何探測？透過

記錄探測器怎麼飛

——腳下的重力一變化，探測器的飛行軌跡也會隨之有變化。

但一個星球的重力場分佈何其複雜：不同的經度、緯度、高度上的重力都是不同的，如何透過一個統一的方式來還原呢？科學家們採用了“分解法”——把實際的重力場分解成大中小不同尺度的組分，加起來的結果就可以近似看作是實際的重力分佈了，而分解出的項數越多，可以還原的實際重力分佈細節也就越準確和清晰。這個項數，在重力場資料裡叫做“階數”——

階數越高，可以分辨的重力細節就越多

。

隨著越來越多月球探測器的發射，我們對月球重力場的認識越來越“逼真”，這個逼真的體現就是重力資料的階數越來越高了。

1968年，人們最早發現月球質量瘤的時候，獲得的月球重力場只有4階——幾乎不能分辨任何細節［2］。

而到了1998年，NASA的Lunar Prospector號探測器繞月之後，我們已經可以解算出100階甚至更高的月球重力場［3］——可以分辨約50公里尺度的細節。

Lunar Prospector探測器軌道資料解算出的月球重力異常分佈，越紅表示重力越大，越藍表示越小。紅色圓形區域即是有著高密度物質聚集的質量瘤所在的區域。來源：［3］

再到了2012年，隨著NASA的真·逆天神器·聖盃號探測器（Gravity Recovery and Interior Laboratory，簡稱GRAIL）進入環月軌道，月球重力場的探測解析度被一舉提升高到了600多階［4］。

雙星跟蹤探測的GRAIL探測器工作示意圖。來源：NASA

之後又提高到了

1200階

——

相當於可以分辨約5公里尺度的質量分佈差異

。

GRAIL探測器資料解算出的全月自由空氣重力異常，展現出驚人的內部細節。紅色是高密度物質聚集區，往往與大型盆地有關。來源：NASA

短短50年，空間解析度提高了數百倍——這在GRAIL探測器問世之前是不可想象的

。

除了瞭解月球的質量分佈，重力探測還可以

幫助我們尋找和確認月球上封塵的古老盆地

［5］——那些表面已經被侵蝕殆盡，幾乎看不到地形起伏的撞擊盆地，在月球內部依然保留著高質量聚集的痕跡。

古老的孟德爾-裡德伯盆地位於左圖兩個紅色箭頭之間，實際在月面照片中已經微弱難辨，但在右圖的布格重力異常圖中則展現出顯著的高密度聚集特徵。來源：［5］

這些隱藏盆地的發現，可以

幫助我們追溯和重建地月系統、乃至整個太陽系的撞擊歷史

。

2

地球重力衛星則又是另一番圖景。

2002年，NASA和DLR聯合運營的GRACE衛星（全稱Gravity Recovery and Climate Experiment，重力反演和氣候實驗室）發射升空。

這發設計壽命5年的孿生衛星組，最終工作了15年半，直到2018年才結束任務。

GRACE衛星的工作原理：透過高精度跟蹤測量兩顆衛星之間的距離變化（這是地球各個地方質量分佈的體現），測量出地球全球的重力場資訊。來源：NASA［6］

GRACE衛星的空間解析度大約在300公里尺度，遠沒有後來模仿GRACE衛星設計而成的月球GRAIL衛星那麼卓越，但持續15年監測的GRACE衛星卻在時間解析度尺度上對我們認識地球有著極其重要的意義——因為

月球是“死的”，但地球是“活”的

。冰川推移、洋流變遷、水資源的迴圈…這些都可以在地球重力場資料中體現出來。

GRACE衛星大約每個月可以更新一次地球全球的重力分佈資訊，這意味著我們literally可以看到地球的

月新年異

。

GRACE衛星告訴我們，在過去的十幾年（2002-2016年）裡：

由於全球氣候變暖，南極平均每年約有1250億噸冰蓋消融，引起海平面每年上升約0。35毫米［7］。

https：//www。zhihu。com/video/1171121559263055872

格林蘭島平均每年約有2800億噸冰蓋消融，引起海平面每年上升約0。8毫米［8］。

https：//www。zhihu。com/video/1171121644763500544

全球各大洲很多地方的儲水量有了極大的變化，這背後可能有著不同的原因：例如加州的減少是因為地下水儲量有了顯著降低，而阿拉斯加海岸線的減少則是冰川有了顯著消融。

2015年相比於2002-2015平均值的儲水量變化，藍色表示增多，紅色表示減少。來源：［6］

監測洋流的變化，這是我們的地球對於全球氣候變暖的反饋。

GRACE測量大西洋底壓，以此來推測深海洋流速度的假想圖。來源：［6］

這還沒完。

2018年，GRACE衛星剛結束任務不久，它的繼任GRACE-FO衛星發射升空。

也就是說，不管是現在，還是在接下來的數年裡，地球上的物質變遷，都可以由天上的重力衛星記錄和反映，而我們也會根據這些跟蹤結果來選擇我們與自然的相處之道。

重力探測正在改變著我們認識地球的方式，也在改變著我們的生活

。

3

如果想要知道月球和地球更詳細、更深處的質量分佈情況要怎麼辦呢？重力探測可以解決一部分問題，但我們常常還需要藉助另一個非常有用的地球物理工具——那就是月/地震波探測。

當天體內部發生震動時，震動產生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那麼透過測量不同地層傳來的地震波之間的時間差，就可以反推內部每一層的厚度和密度了——地球和月球的固態核心之外有一層液態外核，就是地震波告訴我們。

1969-72年間，NASA的阿波羅11、12、14、15、16號載人登月任務均在月球表面安置了月震儀，後4臺一直工作到了1977年。在此期間，這些月震儀共記錄下了

共12558次月震

（包括9次人工月震），大大幫助我們瞭解月球的殼、幔、核的密度和厚度。

（左）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀（藍色），來源：［9］。（右）月球內部結構，近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度，來源：［10］。

去年11月，NASA的洞察號著陸器成功著陸火星，成為

火星上第一個用於地球物理探測的著陸器

。洞察號在火星上安裝的火震儀，將對火星上的地震活動進行長達2年的監測，幫助我們“透視”火星內部深處的奧秘。

洞察號安置火震儀的示意圖。來源：NASA

4

儘管能在月球和火星上安裝地震儀難度之大，可以說是太陽系罕有，但從觀測結果上來說，月球上只有四個臺站，火星上只有一個臺站——觀測時間有限、觀測臺站稀少——

相比於地球，還是太弱了

。

如今的地球上，地震監測網（GSN）已有

超過150個遍佈全球的現代化地震監測臺站

，可以實現對地球的全時段、全方位“透視”。

全球地震監測網分佈。來源：IRIS［11］

地震波的探測和研究，可以為我們揭開哪些地球內部的奧秘？

在

11月3日北京的騰訊科學WE大會上，

癌症免疫學家Carl June、著名理論物理學家Brian Greene、高能物理學家王貽芳院士等多位國內外專家學者將濟濟一堂，為大家介紹了諸多前沿科學的新進展。其中

加州理工學院礦物物理學教授Jennifer Jackson

將為大家介紹了她們團隊的最新成果之一——透過地震波探測資料，結合礦物學實驗，

探秘地球內部深處的巨大“腫瘤”

——位於核幔邊界的地震波

超低速區（ultra-low velocity zones，ULVZs）

［12］。

更多精彩，歡迎現場觀會或者觀看直播：

演出

5

對了，如果對Jennifer Jackson教授所在的小組還有更多興趣的話——其實ta們還在做很多有趣又很酷的事情啦。

比如，

嘗試探測金星的地震活動

。

眾所周知，金星的表面是一個真正的地獄，這樣惡劣的環境，顯然是很難在表面安裝地震儀裝置的。

但Jackson及其同事們正在探索一種

“隔空測震”的新方法

。

ta們在繫留氣球（可以理解為繫著繩子的熱氣球）上安裝氣壓計，然後嘗試用來觀測地面上用地震錘砸出的人工地震。

觀測示意圖。來源：［13］

將來，如果最終能證實這種方法操作上容易實現，觀測精度也滿足需要的話，或許可以成為我們今後觀測

金星、土衛六

這類有著厚厚大氣層的天體內的地震活動的有力手段呢。

參考

［1］ Muller， P。 M。， & Sjogren， W。 L。 （1968）。 Mascons： Lunar mass concentrations。

Science

，

161

（3842）， 680-684。

［2］ Lorell， J。， & Sjogren， W。 L。 （1968）。 Lunar gravity： Preliminary estimates from lunar orbiter。

Science

，

159

（3815）， 625-627。

［3］ Konopliv， A。 S。， Binder， A。 B。， Hood， L。 L。， Kucinskas， A。 B。， Sjogren， W。 L。， & Williams， J。 G。 （1998）。 Improved gravity field of the Moon from Lunar Prospector。

Science

，

281

（5382）， 1476-1480。

［4］ Zuber， M。 T。， Smith， D。 E。， Watkins， M。 M。， Asmar， S。 W。， Konopliv， A。 S。， Lemoine， F。 G。， 。。。 & Wieczorek， M。 A。 （2013）。 Gravity field of the Moon from the Gravity Recovery and Interior Laboratory （GRAIL） mission。

Science

，

339

（6120）， 668-671。

［5］ Neumann， G。 A。， Zuber， M。 T。， Wieczorek， M。 A。， Head， J。 W。， Baker， D。 M。， Solomon， S。 C。， 。。。 & Goossens， S。 J。 （2015）。 Lunar impact basins revealed by Gravity Recovery and Interior Laboratory measurements。 Science advances， 1（9）， e1500852。

［6］

https：//www。

jpl。nasa。gov/news/broch

ure/gracefo_brochure。pdf

［7］

https：//

grace。jpl。nasa。gov/reso

urces/31/antarctic-ice-loss-2002-2016/

［8］

https：//

grace。jpl。nasa。gov/reso

urces/30/greenland-ice-loss-2002-2016/

［9］ Kawamura， T。， N。 Kobayashi， S。 Tanaka， and P。 Lognonné （2015）， Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer： Investigation of a new source of seismic information on the Moon。 J。 Geophys。 Res。 Planets， 120， 343–358。 doi： 10。1002/2014JE004724。

［10］ Wieczorek， M。 A。， B。 L。 Jolliff， A。 Khan， M。E。 Pritchard， B。 P。 Weiss， J。 G。 Williams， L。 L。 Hood， K。 Righter， C。 R。 Neal， C。 K。 Shearer， I。 S。 McCallum， S。 Tompkins， C。 Peterson， J。 J。 Gillis， B。 Bussey （2006）， The Constitution and Structure of the Lunar Interior。 Reviews on Mineralogy and Geochemistry， v。60， p。 325

［11］

https：//www。

iris。edu/hq/programs/gs

n

［12］

https：//www。

caltech。edu/about/news/

experiments-using-diamond-anvils-yield-new-insight-deep-earth-83726

［13］ Krishnamoorthy， S。， Lai， V。 H。， Komjathy， A。， Pauken， M。 T。， Cutts， J。 A。， Garcia， R。 F。， 。。。 & Martire， L。 （2019）。 Aerial Seismology Using Balloon-Based Barometers。

IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing

。