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空间的物理学

 

摘 要 近些年来,在微重力环境中进行基础物理研究涉及到许多重大的基础物理课题,引起了国际理论物理界的关注,并被称为空间的基础物理学;进而,各国的空间局逐渐将微重力科学称之为空间的物理学,但空间的物理学并没有改变微重力科学的基本内容.随着国际空间站逐渐组装完成,空间站成员国正抓紧安排计划中的微重力科学实验项目,预计会在2016年以前取得一批重大成果.另一方面,需要在专门卫星上进行的引力理论和广义相对论验证实验,也在安排之中.在美国进行GP-B卫星计划后,探测引力波的LISA计划受到广泛的关注.空间的物理学将在促进重大学术成果和开拓新的技术发展两方面不断取得进展.
关键词 微重力科学,基础物理,流体物理,燃烧学,材料科学,生物技术
  
  Abstract In recent years fundamental physics in a microgravity environment has attracted much attention from theoreticians in the international community, and has been given the name of fundamental physics in space. Furthermore, microgravity science has gradually become known as physics in space amongst the space agencies of the chief space countries. However, physics in space has not changed the contents of microgravity science. As the International Space Station nears completion, its member countries are working hard to schedule the microgravity science missions, and important results should be obtained before 2016. On the other hand, plans for space tests on the theories of gravity and general relativity on board special satellites are under way. After the GP-B satellite experiment by NASA, the LISA program for space measurement of gravitational waves aroused broad interest. Physics in space will certainly make great strides in both promoting important scientific achievements and in developing high technology for applications.
  Keywords microgravity science, fundamental physics, fluid physics, combustion, materials sciences, biotechnology
  
  1 引言
  
  当一个空间飞行器环绕地球以第一宇宙速度自主飞行时,我们可以选择一个(局部)惯性参考系,其原点位于空间飞行器的质心位置.如果不考虑大气阻力、光辐射压力、质心偏离引起的各种扰动力,则空间飞行器中物体受到的地球引力与运动离心力抵消,物体处于“失重”状态,或者说物体处于微重力水平中.所谓“微重力”是指该处的有效重力水平为地球表面重力水平的10-6.在实际的绕地球飞行器中,有效重力水平与频率相关,低频时达到10-3,高频时优于10-6.除了地面的落塔、抛物线飞行的失重飞机和可达十几分钟的微重力火箭外,用于微重力实验的空间飞行器有返回式卫星和不返回卫星、载人飞船、航天飞机和空间站.各种载人空间飞行器不可避免人的干扰,飞行器中的有效重力很难达到微重力水平;而验证引力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞 (femto,亳微微)重力至阿(atto,微微微)重力环境,一般需要发射专门的基础物理卫星.
  随着载人空间活动的发展,人们需要进一步认识微重力环境中的物质运动规律,从而发展了微小重力这种极端环境下的学术领域——微重力科学.在微重力环境中,地球重力的影响极大地减弱,控制地面过程的浮力对流、沉淀和分层以及由重力引起的静压梯度都极大地降低,表面张力和润湿等作用变得突出.从上世纪七八十年代以来,微重力科学主要研究微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学和空间生物技术.近十余年来,微重力条件提供的高精度物理环境吸引了一批理论物理学家,他们希望利用空间的微重力环境能更好地检验广义相对论和引力理论以及低温原子物理和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题.这样就形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理.近来,人们常常把这些微重力科学的领域统称为空间的物理学,它是利用微重力环境来研究物理学规律,以区别于在地面重力环境中的物理学.要指出的是,中文的 “空间的物理学”和 “空间物理”是两个不同的概念,后者主要研究太阳系等离子体的运动规律和行星科学,而不涉及基础物理的前沿问题.
  
  2 空间基础物理
  
  2.1 广义相对论验证和引力理论[1]
  引力质量mg和惯性质量mi相等的(弱)等效原理是广义相对论爱因斯坦强等效原理假设的基础[12].有文献记载的弱等效原理验证始于牛顿的摆实验,Eotvos的扭称实验更为精确;现代的月-地激光测距实验则检验了强等效原理[12].到目前为止[12],弱等效原理的实验精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已达10-13,在地基实验中已再难提高.现在的一些引力理论认为,将测量精度提高到10-15以上有可能揭示广义相对论的问题,具有很大的学术价值,这只能在空间微重力条件下才能实现[2].国际上蕴酿多年的“等效原理的卫星检验”(STEP)计划,试图将弱等效原理的实验精度提高到10-18.STEP计划一直没有获得美国的立项经费支持,现在的立项经费就更加困难了.目前欧洲一些国家正在争取安排Mini STEP计划,其实验精度为10-15;法国的小型卫星(MicroScope)计划于2010年发射,拟在10-15精度上检验弱等效原理[13].引力探测-乙(Gravity Probe-B, GP-B)计划是美国空间局主持的计划,由美国斯坦福大学GP-B小组负责.该计划的主要任务是验证广义相对论的空间弯曲和拖曳效应,即验证时间和空间因地球大质量物体存在而弯曲(测地效应),和大质量物体的旋转拖动周围时空结构发生扭曲(惯性系拖曳效应).用4个旋转球体作为陀螺仪,地球引力拖曳会影响球体的转轴.用飞马星座中的一颗恒星校准陀螺自旋轴的方向,用望远镜测量“测地效应”.通过球体转轴进动0.000011度,探测“惯性系拖曳效应”.GP-B卫星于2004年4月发射,2005年9月终止数据采集.原预计2006年夏公布结果,但是,由于电场等因素影响了球体的方位,仍需对其他影响进行研究.现正在加紧分析真正有效的时空信号数据,并尽快宣布观测结论.初步结果显示,较显著的‘测地效应’从数据中完全可见,正在完全证实广义相对论的道路上前进;刚刚看到 “惯性系拖曳效应”的端倪.实验结果似乎验证了广义相对论的理论,人们正在期待着最后宣布的科学结果[3].
  引力波是广义相对论理论预言的现象,40年前声称在地面测量到高频引力波,激起引力探测的热潮.低频引力波只能在空间探测.欧洲空间局和美国空间局联合推进空间探测引力波的“激光干涉全球天线”(LISA)计划,它的探测源是108太阳质量的黑洞,相应的频率是10-3—10-1Hz.LISA计划由相距500万公里等边近三角形的三颗卫星组成,每颗卫星分别有2个悬浮的试验质量,位于激光器平台的前端.引力波传到卫星环境中,将引起试验质量微小的位移,通过激光干涉方法测量小于纳米量级的位移,推演出引力波的存在.为了验证LISA计划的关键技术,将于2010年发射LISA Pathfinder卫星,而LISA计划预计在2019年以后发射.引力波探测的成功不仅可以验证广义相对论理论的预言,还将开辟引力波天文学,具有极大的重要性.欧洲空间局将LISA计划列为中、远期的首选项目,美国空间局“超越爱因斯坦”计划两大卫星之一的“大爆炸观测台”卫星也是探讨测量中频(0.1—1.0Hz)引力波.空间引力波探测的学术重要性由此可见一斑.
  我国空间科学的发展需要研讨引力理论,研究卫星实验的方案,大家正在集思广益.中国科学院理论物理研究所张元仲及其他专家联合提出TEPO计划,建议在10-16精度内验证弱等效原理和在10-14精度内验证新型的二维等效原理;华中科技大学罗俊等人提出TISS计划,希望利用高精度空间静电悬浮加速度计将检验牛顿引力的反比定律精度提高3个数量级.中国科学院紫金山天文台倪维斗的计划是希望探测低频(5×10-6 — 5×10-3Hz)引力波;中国科学院应用数学研究所刘润球则关注空间的中频(10-2 — 100Hz)引力波探测.这些方案都还在蕴酿过程中.
  2.2 空间冷原子物理和原子钟研究
  激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)曾分别于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖,它们是当代物理学最活跃的前沿领域之一.BEC有时也称为物质的第五态,它是1925年爱因斯坦预言的物质状态,即当气体温度低于其极限温度时,所有冷原子都聚集在最低量子能态上,表现出玻色子的特证.作为一种新的物质状态,它包含着许多新的基本物理规律,等待人们去探索,诸如物质波及其相干性、低温极限(10-15 K)、量子相变等.另一方面,它蕴育着许多重大的应用前景,诸如原子激光、高精度时标等.微重力环境可以更好地降低气体的温度,改进谱线的宽度和稳定性,提高系统的信噪比,从而为研究提供更好的条件.欧洲空间局的空间BEC研究也正在安排当中.
  作为该领域的一个重要应用项目,空间冷气体原子钟的研制受到重视.地面通过激光冷却和冷原子喷泉效应,可以使冷气体原子钟的精度达到10-16.而在微重力环境中,则可以使冷气体原子钟的精度提高一个数量级,从而在军事和民用上产生极大的价值.欧洲空间局和美国国家航空和空间署都将空间冷原子钟研究作为国际空间站的重要研究项目.
  中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4],正在准备研制空间的超高精度冷原子微波钟,精度可达10-17;华东师范大学马龙生提出进行空间高精度光钟研究的建议,精度可达10-18.
  

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