空間的物理學

空間的物理學當一個空間飛行器環(huán)繞地球以第一宇宙速度自主飛行時，我們可以選擇一個（局部）慣性參考系,其原點位于空間飛行器的質(zhì)心位置.如果不考慮大氣阻力、光輻射壓力、質(zhì)心偏離引起的各種擾動力,則空間飛行器中物體受到的地球引力與運動離心力抵消，物體處于失重狀態(tài)，或者說物體處于微重力水平中.所謂微重力是指該處的有效重力水平為地球表面重力水平的10-6.在實際的繞地球飛行器中，有效重力水平與頻率相關，低頻時達到10-3,高頻時優(yōu)于10-6.除了地面的落塔、拋物線飛行的失重飛機和可達十幾分鐘的微重力火箭外，用于微重力實驗的空間飛行器有返回式衛(wèi)星和不返回衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機和空間站.各種載人空間飛行器不可避免人的干擾，飛行器中的有效重力很難達到微重力水平;而驗證引力理論的高分辨率空間實驗需要非常低的飛（femto,亳微微）重力至阿（atto,微微微）重力環(huán)境，一般需要發(fā)射專門的基礎物理衛(wèi)星.隨著載人空間活動的發(fā)展,人們需要進一步認識微重力環(huán)境中的物質(zhì)運動規(guī)律,從而發(fā)展了微小重力這種極端環(huán)境下的學術領域微重力科學.在微重力環(huán)境中，地球重力的影響極大地減弱，控制地面過程的浮力對流、沉淀和分層以及由重力引起的靜壓梯度都極大地降低,表面張力和潤濕等作用變得突出.從上世紀七八十年代以來,微重力科學主要研究微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學和空間生物技術.近十余年來，微重力條件提供的高精度物理環(huán)境吸引了一批理論物理學家，他們希望利用空間的微重力環(huán)境能更好地檢驗廣義相對論和引力理論以及低溫原子物理和低溫凝聚態(tài)物理的許多基礎物理前沿問題.這樣就形成了微重力科學的一個新領域空間基礎物理.近來,人們常常把這些微重力科學的領域統(tǒng)稱為空間的物理學,它是利用微重力環(huán)境來研究物理學規(guī)律,以區(qū)別于在地面重力環(huán)境中的物理學.要指出的是，中文的空間的物理學和空間物理是兩個不同的概念，后者主要研究太陽系等離子體的運動規(guī)律和行星科學，而不涉及基礎物理的前沿問題.2空間基礎物理2.1廣義相對論驗證和引力理論引力質(zhì)量mg和慣性質(zhì)量mi相等的(弱)等效原理是廣義相對論愛因斯坦強等效原理假設的基礎.有文獻記載的弱等效原理驗證始于牛頓的擺實驗,Eotvos的扭稱實驗更為精確;現(xiàn)代的月-地激光測距實驗則檢驗了強等效原理.到目前為止，弱等效原理的實驗精度n=2|mg-mi|/(mg+mi)已達10-13,在地基實驗中已再難提高.現(xiàn)在的一些引力理論認為，將測量精度提高到10-15以上有可能揭示廣義相對論的問題,具有很大的學術價值，這只能在空間微重力條件下才能實現(xiàn).國際上蘊釀多年的等效原理的衛(wèi)星檢驗(STEP)計劃，試圖將弱等效原理的實驗精度提高到10-18.STEP計劃一直沒有獲得美國的立項經(jīng)費支持，現(xiàn)在的立項經(jīng)費就更加困難了.目前歐洲一些國家正在爭取安排MiniSTEP計劃,其實驗精度為10-15;法國的小型衛(wèi)星(MicroScope)計劃于20XX年發(fā)射，擬在10-15精度上檢驗弱等效原理.引力探測-乙(GravityProbe-B,GP-B)計劃是美國空間局主持的計劃，由美國斯坦福大學GP-B小組負責.該計劃的主要任務是驗證廣義相對論的空間彎曲和拖曳效應,即驗證時間和空間因地球大質(zhì)量物體存在而彎曲（測地效應），和大質(zhì)量物體的旋轉(zhuǎn)拖動周圍時空結(jié)構發(fā)生扭曲（慣性系拖曳效應）.用4個旋轉(zhuǎn)球體作為陀螺儀，地球引力拖曳會影響球體的轉(zhuǎn)軸.用飛馬星座中的一顆恒星校準陀螺自旋軸的方向用望遠鏡測量測地效應.通過球體轉(zhuǎn)軸進動0.000011度,探測慣性系拖曳效應.GP-B衛(wèi)星于20XX年4月發(fā)射,20XX年9月終止數(shù)據(jù)采集.原預計20XX年夏公布結(jié)果，但是，由于電場等因素影響了球體的方位，仍需對其他影響進行研究.現(xiàn)正在加緊分析真正有效的時空信號數(shù)據(jù),并盡快宣布觀測結(jié)論.初步結(jié)果顯示,較顯著的測地效應從數(shù)據(jù)中完全可見,正在完全證實廣義相對論的道路上前進;剛剛看到慣性系拖曳效應的端倪.實驗結(jié)果似乎驗證了廣義相對論的理論,人們正在期待著最后宣布的科學結(jié)果.引力波是廣義相對論理論預言的現(xiàn)象,40年前聲稱在地面測量到高頻引力波，激起引力探測的熱潮.低頻引力波只能在空間探測歐洲空間局和美國空間局聯(lián)合推進空間探測引力波的激光干涉全球天線（LISA）計劃,它的探測源是108太陽質(zhì)量的黑洞,相應的頻率是10-310-1Hz.LISA計劃由相距500萬公里等邊近三角形的三顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星分別有2個懸浮的試驗質(zhì)量，位于激光器平臺的前端.引力波傳到衛(wèi)星環(huán)境中,將引起試驗質(zhì)量微小的位移，通過激光干涉方法測量小于納米量級的位移，推演出引力波的存在.為了驗證LISA計劃的關鍵技術將于20XX年發(fā)射LISAPathfinder衛(wèi)星而LISA計劃預計在20XX年以后發(fā)射.引力波探測的成功不僅可以驗證廣義相對論理論的預言，還將開辟引力波天，具有極大的重要性.歐洲空間局將LISA計劃列為中、遠期的首選項目,美國空間局超越愛因斯坦計劃兩大衛(wèi)星之一的大爆炸觀測臺衛(wèi)星也是探討測量中頻(0.11.0Hz)引力波.空間引力波探測的學術重要性由此可見一斑.我國空間科學的發(fā)展需要研討引力理論，研究衛(wèi)星實驗的方案,大家正在集思廣益.中國科學院理論物理研究所張元仲及其他專家聯(lián)合提出TEPO計劃,建議在10-16精度內(nèi)驗證弱等效原理和在10-14精度內(nèi)驗證新型的二維等效原理;華中科技大學羅俊等人提出TISS計劃,希望利用高精度空間靜電懸浮加速度計將檢驗牛頓引力的反比定律精度提高3個數(shù)量級.中國科學院紫金山天文臺倪維斗的計劃是希望探測低頻(5x10-65x10-3Hz)引力波;中國科學院應用數(shù)學研究所劉潤球則關注空間的中頻(10-2100HZ)引力波探測.這些方案都還在蘊釀過程中.2.2空間冷原子物理和原子鐘研究激光冷卻和玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)曾分別于1997年和20XX年獲得諾貝爾物理學獎,它們是當代物理學最活躍的前沿領域之一.BEC有時也稱為物質(zhì)的第五態(tài)，它是1925年愛因斯坦預言的物質(zhì)狀態(tài)，即當氣體溫度低于其極限溫度時，所有冷原子都聚集在最低量子能態(tài)上，表現(xiàn)出玻色子的特證.作為一種新的物質(zhì)狀態(tài)，它包含著許多新的基本物理規(guī)律，等待人們?nèi)ヌ剿?，諸如物質(zhì)波及其相干性、低溫極限(10-15K)、量子相變等.另一方面，它蘊育著許多重大的應用前景,諸如原子激光、高精度時標等.微重力環(huán)境可以更好地降低氣體的溫度，改進譜線的寬度和穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的信噪比，從而為研究提供更好的條件.歐洲空間局的空間BEC研究也正在安排當中.作為該領域的一個重要應用項目，空間冷氣體原子鐘的研制受到重視.地面通過激光冷卻和冷原子噴泉效應,可以使冷氣體原子鐘的精度達到10-16.而在微重力環(huán)境中，則可以使冷氣體原子鐘的精度提高一個數(shù)量級，從而在軍事和民用上產(chǎn)生極大的價值.歐洲空間局和美國國家航空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為國際空間站的重要研究項目.中國科學院上海光學精密機械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果，正在準備研制空間的超高精度冷原子微波鐘，精度可達10-17;華東師范大學馬龍生提出進行空間高精度光鐘研究的建議，精度可達10-18.2.3低溫凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物質(zhì)在極低溫條件下會表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì),成為物理學的新熱點.微重力條件可以實現(xiàn)極小的靜壓梯度，可以提供更高精度的物理學實驗條件，從而在更高精度下驗證理論和揭示新的規(guī)律.美國噴氣推進實驗室在航天飛機上完成了液氦在臨界溫度附近（納度的精度內(nèi)）的比熱奇異性實驗，初步驗證了二階相變的重整化群理論.科學家們提出了一批空間實驗課題，諸如超流氦相變動力學,連續(xù)相變的普適性,氣-液臨界點的尺度規(guī)律，約束于不同幾何形狀和尺度的液氦性質(zhì),相圖特殊點附近氦混合物的性質(zhì)，約束和邊界效應,非平衡相變,分形結(jié)構和圖樣形式，臨界現(xiàn)象,超流體的流體動力學，量子固體等.這些課題大都需要超低溫條件，因而需要空間大型制冷設備，耗資巨大.美國已暫停這方面的研究，中國在短期內(nèi)還難于安排相關的空間實驗條件.3微重力流體物理微重力流體物理是微重力科學的重要領域，它是微重力應用和工程的基礎,人類空間探索過程中的許多難題的解決需要借助于流體物理的研究.在基礎研究方面,微重力環(huán)境為研究新力學體系內(nèi)的運動規(guī)律提供了極好的條件，諸如非浮力的自然對流多尺度的耦合過程，表面力驅(qū)動的流動，失重條件下的多相流和沸騰傳熱,以及復雜流體力學等.可以引入靜Bond數(shù)Bo=pgl2/o或動Bond數(shù)Bd=pgl2/(|a,T|AT)來分析重力作用和表向張力作用的相對重要性，其中pQ,g,l分別是流體密度、界面的表面張力、有效重力加速度和特證尺度，|ST|和AT分別是表面張力梯度和特征溫差.Bond數(shù)小于1時，表面張力的作用會大于重力的作用,這要求小的尺度、或小的重力加速度、或小的密度差，對應于小尺度過程、微重力過程、或中性懸浮過程.3.1簡單流體的對流和傳熱具有界面的流體體系普遍存在于自然科學和工程應用中.研究熱毛細對流的規(guī)律,對于空間材料加工、生物技術、燃燒等過程中熱毛細對流控制都有重要意義,并對地面電子裝置的熱控制，食品加工過程，化學工程微電子機械系統(tǒng)(MEMS),薄膜等小尺度的流動問題也有指導作用.微重力環(huán)境中流體的晃動、流體的運動與固體結(jié)構的相互耦合是航天工程中經(jīng)常遇到的問題.對微重力環(huán)境中簡單流體的傳熱和傳質(zhì)過程,人們主要研究毛細系統(tǒng)中臨界現(xiàn)象和浸潤現(xiàn)象，熱毛細對流的轉(zhuǎn)捩過程和振蕩機理,液滴熱毛細遷移及相互作用規(guī)律等方面.流體管理研究也是微重力工程中的重要課題.3.2多相流的傳質(zhì)和傳熱微重力氣/液兩相流動與傳熱研究的主要對象包括兩相流動的流型、沸騰與冷凝傳熱、混合與分離等現(xiàn)象,對我國載人航天技術（如航天器熱與流體管理系統(tǒng)、空間站與深空探測器等大型航天器動力系統(tǒng)、載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)以及空間材料制備與空間生物技術實驗等）的發(fā)展有直接的應用價值.在微重力環(huán)境中，重力作用被極大地抑制甚至完全消除，更能凸顯氣、液、固相間的傳遞機制，便于更深刻地揭示其流動與傳熱機理.借助于微重力氣液兩相流動與傳熱的深入研究，對我國實現(xiàn)能源戰(zhàn)略需求和地面常重力環(huán)境中的石油、化工、制造等相關技術開發(fā)與應用也有重要指導意義.3.3復雜流體復雜流體是一種分散體系，它指的是具有一種或幾種分散相的物質(zhì)體系，也有人稱之為軟物質(zhì).在重力條件下，復雜流體的許多行為特征會受對流、沉降、分層等干擾,而微重力條件則有助于研究在地面上被重力作用所掩蓋的過程，特別是分子間的相互作用力.微重力復雜流體研究包括:膠體的聚集和相變研究;懸浮液和乳狀液的穩(wěn)定性研究;復雜等離子體的結(jié)晶研究;氣溶膠的穩(wěn)定性和聚集行為研究;對顆粒體系本征運動行為的研究;臨界點現(xiàn)象的研究;以及材料制備、石油開采和生物流體的相關問題研究.隨著人類深空探測活動的展開，對不同重力場中分散體系物質(zhì)的操作與輸運的要求,以及對其運動規(guī)律認知的需求十分迫切.空間科學實驗不僅能夠使我們獲得新的科學知識，而且其科學成果對于地面材料及器件制備工藝的創(chuàng)新具有重要指導意義.對復雜流動現(xiàn)象的研究在材料設計中起到了切實的作用,如對復雜流體自組織現(xiàn)象的研究成果已經(jīng)應用于納米結(jié)構材料和器件的研制.近年來，復雜流體（軟物質(zhì)）的力學和物理學,接觸角、接觸線和浸潤現(xiàn)象等與物理化學密切相關的領域也越來越受到關注.3.4近期的空間實驗隨著國際空間站的逐步安裝，國外微重力空間實驗的項目將逐步進行.目前己經(jīng)納入計劃中的項目有：?毛細流動:不同形狀、介質(zhì)、浸潤性、流體管理；?熱毛細對流；?流體的梯度漲落；?Soret系數(shù)測量；?近臨界和超臨界流體；?蒸發(fā)和冷凝過程:流體的熱管理；?沸騰傳熱；?顆粒材料行為；?膠體和乳劑聚集和穩(wěn)定性；?泡沫穩(wěn)定性.十一■五期間,國家安排了進行空間微重力科學和空間生命科學研究的實踐-10衛(wèi)星，將完成10項微重力科學的空間實驗.這些實驗包括空間熱毛細對流、具有蒸發(fā)界面的對流、顆粒材料物理、沸騰傳熱、復雜流體的結(jié)晶等流體物理空間實驗項目.同對，在載人航天工程第二階段中，還要安排半浮區(qū)液橋、多液滴相互作用、復雜流體穩(wěn)定性、多相流傳熱等空間實驗項目.我國的微重力流體物理已有較好基礎,將會做出較大貢獻.微重力流體物理所涉及的許多過程與微尺度流動中的過程有許多相似性引起人們的興趣.以中國科學院力學研究所國家微重力實驗室為主的流體物理研究有不少建樹，獲得國際同行的好評.4燃燒科學燃燒是一門古老的學科,而地面的燃燒過程都是和浮力對流密切耦合在一起的，給模型化研究增加了難度.微重力條件下基本上沒有浮力對流的影響為研究燃燒的化學反應過程提供了極好的機遇.1957年，東京大學Kumagai教授的0.5s落塔實驗研究了乙醇棉球的微重力燃燒過程，開創(chuàng)了微重力燃燒的實驗研究和利用落塔進行微重力實驗的時代.落塔設施己成為進行微重力燃燒實驗的有力工具.微重力燃燒涉及了地面燃燒學的主要領域，美國國家航空和空間署將微重力燃燒作為重要的研究方向,歐洲和日本空間局也十分重視.幾乎地面主要的燃燒過程都進行了空間微重力實驗，諸如預混氣體燃燒、氣體擴散燃燒、液滴燃燒、顆粒和粉塵燃燒等，并研究了典型氣體環(huán)境中燃料表面的點火和傳播，流動過程與燃燒的耦合等，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，例如燃燒的分散球狀分布等.在許多微重力燃燒過程中，除了通常的吹熄極限，還有輻射損失引起的冷熄極限,這只能在微重力環(huán)境中才能觀測到.微重力燃燒的研究除了具有重大的機理意義以外，還在于:利用對燃燒過程的深刻理解,改進地面燃燒過程的效益;利用對燃燒產(chǎn)物的進一步分析，改進地面燃燒產(chǎn)物污染環(huán)境.中國的能源將在較長時間內(nèi)以煤作為主要燃料,應加強微重力煤燃燒的研究.載人飛行器的安全防火是微重力燃燒的重大課題，自從阿波羅1號飛船在地面著火，燒死3名宇航員后,美國國家航空和空間署就把防火安全作為載人航天的首要問題.特別是今后的長期載人飛行任務，使防火任務更加嚴重.需要研究典型氣體氛圍下沿固體表面的著火條件、火焰?zhèn)鞑ミ^程和熄火條件;還要研究悶燒的各種條件.除進行相應的模擬研究外，還要進行大量的落塔實驗，對逐個上天的非金屬材料和某些金屬材料進行典型氣體環(huán)境下的燃燒實驗.同時，還需要制訂載人飛行器的防火規(guī)范.美國和俄羅斯各自建立了他們的載人航天材料篩選和防火規(guī)范，但載人航天器中的著火事件仍有發(fā)生.因為載人航天器內(nèi)存在著火的條件,問題不可能完全解決.特別是在載人探索火星等長時間飛行任務中,防火規(guī)范還是一個需要進一步探討和研究的課題.中國科學院工程熱物理研究所和力學研究所進行了一些微重力燃燒的研究工作.近年來,清華大學和華中科技大學等煤燃燒重點實驗室開始關注微重力的煤燃燒研究.在十一■五期間，非金屬材科燃燒、導線的燒燃、煤的燃燒等項目己列入空間實驗計劃,應能取得好的結(jié)果.5材料科學空間材料科學曾是微重力科學中耗資最大的領域，材料科學各分支領域的學者都希望在空間微重力環(huán)境中去研究凝固過程的機理和制備高質(zhì)量的材科.空間微重力環(huán)境是制備、研究多元均勻塊體材料的最佳場所，其主要特征就是消除了因重力而產(chǎn)生的沉降、浮力對流和靜壓力梯度.由于浮力減弱，密度分層效應的消失，可以使不同密度的介質(zhì)均勻地混合.由于空間微重力環(huán)境中靜壓力梯度幾乎趨于零，因而能提供更加均勻的熱力學狀態(tài).這種條件更有利于研究物質(zhì)的熱力學本質(zhì)和流體力學本質(zhì)，探索、研制新型的材料和發(fā)現(xiàn)材料的新功能.目前空間材料科學研究的重點是利用空間實驗的成果改進地面材料制備技術,以及利用空間微重力環(huán)境測量高溫熔體的輸運系數(shù).在國際空間站的歐洲、美國和日本壓力艙中,都有材料研究的專柜.利用微重力環(huán)境進行材料科學研究，不僅可以發(fā)展材料科學理論，還可以發(fā)展新型材料和新型加工工藝.微重力環(huán)境可以制備出一些比地面更好的高品質(zhì)材料，空間材料科學的進展及空間材料制備的技術可以改進空間和地面的材料加工，特別是為地面的晶體生長和鑄造技術提供幫助.空間材料科學涉及的領域有金屬材料、半導體材料、光學晶體材料、納米材料和高分子與生物醫(yī)學材料等.我國空間材料科學目前面臨相當大的困難.克服這些困難，目前一方面可充分利用國際合作（俄羅斯、日本），另一方面,我們需要面對現(xiàn)實,以地基實驗為主，在加強國際合作的同時，擴大該領域的研究團隊，同時該學科需要進一步凝煉學科方向和科學問題，今后應該創(chuàng)造條件開展空間材料科學研究.我國空間材料科學在林蘭英先生的倡導和指導下，一批學者積極參與，取得了重要學術成果.十一■五期間,我國的SJ-10衛(wèi)星計劃和載人航天工程（第二階段）計劃中都分別安排了多功位材料實驗爐的空間實驗,應能做出一批較好結(jié)果.6生物技術空間生物技術促進了生物技術的定量化和模型化研究，促進了新的實驗方法和儀器設備的發(fā)展，具有重要學科意義.另一方面，空間生物技術有很強的應用背景，可以改善人類的健康和發(fā)展生物產(chǎn)業(yè),是空間商業(yè)計劃的新方向.目前，空間生物技術的主要研究方向是蛋白質(zhì)單晶生長和細胞/組織的三維培養(yǎng).晶體衍射法仍然是當今研究生物大分子結(jié)構和功能的主要方法，獲得高質(zhì)量的大尺寸蛋白質(zhì)單晶就是一項艱難的任務.溶液法生長蛋白質(zhì)晶體受到許多因素的影響，微重力環(huán)境可以更有效地提供擴散為主的輸運環(huán)境以及實現(xiàn)失重條件下的無容器過程和較好的界面控制，使空間的蛋白質(zhì)單晶生長顯示出許多優(yōu)點.各國空間局都安排了大量的空間蛋白質(zhì)單晶生長實驗，而且取得很大進展.但并不是所有空間實驗都取得好結(jié)果，也有