淺談空間的物理學(xué)

1、淺談空間的物理學(xué) 摘 要 近些年來,在微重力環(huán)境中進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究涉及到許多重大的基礎(chǔ)物理課題,引起了國(guó)際理論物理界的關(guān)注,并被稱為空間的基礎(chǔ)物理學(xué);進(jìn)而,各國(guó)的空間局逐漸將微重力科學(xué)稱之為空間的物理學(xué),但空間的物理學(xué)并沒有改變微重力科學(xué)的基本內(nèi)容.隨著國(guó)際空間站逐漸組裝完成,空間站成員國(guó)正抓緊安排計(jì)劃中的微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)會(huì)在2016年以前取得一批重大成果.另一方面,需要在專門衛(wèi)星上進(jìn)行的引力理論和廣義相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),也在安排之中.在美國(guó)進(jìn)行g(shù)p-b衛(wèi)星計(jì)劃后,探測(cè)引力波的lisa計(jì)劃受到廣泛的關(guān)注.空間的物理學(xué)將在促進(jìn)重大學(xué)術(shù)成果和開拓新的技術(shù)發(fā)展兩方面不斷取得進(jìn)展.關(guān)鍵詞 微重力科

2、學(xué),基礎(chǔ)物理,流體物理,燃燒學(xué),材料科學(xué),生物技術(shù)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 know

3、n 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

4、 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

5、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, biotechnology1 引言當(dāng)一個(gè)空間飛行器環(huán)繞地球以第

6、一宇宙速度自主飛行時(shí),我們可以選擇一個(gè)(局部)慣性參考系,其原點(diǎn)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(dòng)力,則空間飛行器中物體受到的地球引力與運(yùn)動(dòng)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(shí)際的繞地球飛行器中,有效重力水平與頻率相關(guān),低頻時(shí)達(dá)到10-3,高頻時(shí)優(yōu)于10-6.除了地面的落塔拋物線飛行的失重飛機(jī)和可達(dá)十幾分鐘的微重力火箭外,用于微重力實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dá)到

7、微重力水平;而驗(yàn)證引力理論的高分辨率空間實(shí)驗(yàn)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(chǔ)物理衛(wèi)星.隨著載人空間活動(dòng)的發(fā)展,人們需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微重力環(huán)境中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從而發(fā)展了微小重力這種極端環(huán)境下的學(xué)術(shù)領(lǐng)域微重力科學(xué).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(duì)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(rùn)濕等作用變得突出.從上世紀(jì)七八十年代以來,微重力科學(xué)主要研究微重力流體物理微重力燃燒空間材料科學(xué)和空間生物技術(shù).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(xué)家,他們希望利用空間的微重

8、力環(huán)境能更好地檢驗(yàn)廣義相對(duì)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(chǔ)物理前沿問題.這樣就形成了微重力科學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域空間基礎(chǔ)物理.近來,人們常常把這些微重力科學(xué)的領(lǐng)域統(tǒng)稱為空間的物理學(xué),它是利用微重力環(huán)境來研究物理學(xué)規(guī)律,以區(qū)別于在地面重力環(huán)境中的物理學(xué).要指出的是,中文的 “空間的物理學(xué)”和 “空間物理”是兩個(gè)不同的概念,后者主要研究太陽系等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行星科學(xué),而不涉及基礎(chǔ)物理的前沿問題.2 空間基礎(chǔ)物理2.1 廣義相對(duì)論驗(yàn)證和引力理論1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(duì)論愛因斯坦強(qiáng)等效原理假設(shè)的基礎(chǔ)12.有文獻(xiàn)記載的弱等效原理驗(yàn)證始于牛頓的擺實(shí)驗(yàn),

9、eotvos的扭稱實(shí)驗(yàn)更為精確;現(xiàn)代的月-地激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)則檢驗(yàn)了強(qiáng)等效原理12.到目前為止12,弱等效原理的實(shí)驗(yàn)精度=2?mg-mi?/(mg+mi)已達(dá)10-13,在地基實(shí)驗(yàn)中已再難提高.現(xiàn)在的一些引力理論認(rèn)為,將測(cè)量精度提高到10-15以上有可能揭示廣義相對(duì)論的問題,具有很大的學(xué)術(shù)價(jià)值,這只能在空間微重力條件下才能實(shí)現(xiàn)2.國(guó)際上蘊(yùn)釀多年的“等效原理的衛(wèi)星檢驗(yàn)”(step)計(jì)劃,試圖將弱等效原理的實(shí)驗(yàn)精度提高到10-18.step計(jì)劃一直沒有獲得美國(guó)的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持,現(xiàn)在的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)就更加困難了.目前歐洲一些國(guó)家正在爭(zhēng)取安排mini step計(jì)劃,其實(shí)驗(yàn)精度為10-15;法國(guó)的小型衛(wèi)星(micr

10、oscope)計(jì)劃于2010年發(fā)射,擬在10-15精度上檢驗(yàn)弱等效原理13.引力探測(cè)-乙(gravity probe-b, gp-b)計(jì)劃是美國(guó)空間局主持的計(jì)劃,由美國(guó)斯坦福大學(xué)gp-b小組負(fù)責(zé).該計(jì)劃的主要任務(wù)是驗(yàn)證廣義相對(duì)論的空間彎曲和拖曳效應(yīng),即驗(yàn)證時(shí)間和空間因地球大質(zhì)量物體存在而彎曲(測(cè)地效應(yīng)),和大質(zhì)量物體的旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)周圍時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲(慣性系拖曳效應(yīng)).用4個(gè)旋轉(zhuǎn)球體作為陀螺儀,地球引力拖曳會(huì)影響球體的轉(zhuǎn)軸.用飛馬星座中的一顆恒星校準(zhǔn)陀螺自旋軸的方向,用望遠(yuǎn)鏡測(cè)量“測(cè)地效應(yīng)”.通過球體轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)0.000011度,探測(cè)“慣性系拖曳效應(yīng)”.gp-b衛(wèi)星于2004年4月發(fā)射,2005年9

11、月終止數(shù)據(jù)采集.原預(yù)計(jì)2006年夏公布結(jié)果,但是,由于電場(chǎng)等因素影響了球體的方位,仍需對(duì)其他影響進(jìn)行研究.現(xiàn)正在加緊分析真正有效的時(shí)空信號(hào)數(shù)據(jù),并盡快宣布觀測(cè)結(jié)論.初步結(jié)果顯示,較顯著的測(cè)地效應(yīng)從數(shù)據(jù)中完全可見,正在完全證實(shí)廣義相對(duì)論的道路上前進(jìn);剛剛看到 “慣性系拖曳效應(yīng)”的端倪.實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的理論,人們正在期待著最后宣布的科學(xué)結(jié)果3.引力波是廣義相對(duì)論理論預(yù)言的現(xiàn)象,40年前聲稱在地面測(cè)量到高頻引力波,激起引力探測(cè)的熱潮.低頻引力波只能在空間探測(cè).歐洲空間局和美國(guó)空間局聯(lián)合推進(jìn)空間探測(cè)引力波的“激光干涉全球天線”(lisa)計(jì)劃,它的探測(cè)源是108太陽質(zhì)量的黑洞,相應(yīng)的頻率

12、是10-310-1hz.lisa計(jì)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(gè)懸浮的試驗(yàn)質(zhì)量,位于激光器平臺(tái)的前端.引力波傳到衛(wèi)星環(huán)境中,將引起試驗(yàn)質(zhì)量微小的位移,通過激光干涉方法測(cè)量小于納米量級(jí)的位移,推演出引力波的存在.為了驗(yàn)證lisa計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù),將于2010年發(fā)射lisa pathfinder衛(wèi)星,而lisa計(jì)劃預(yù)計(jì)在2019年以后發(fā)射.引力波探測(cè)的成功不僅可以驗(yàn)證廣義相對(duì)論理論的預(yù)言,還將開辟引力波天文學(xué),具有極大的重要性.歐洲空間局將lisa計(jì)劃列為中遠(yuǎn)期的首選項(xiàng)目,美國(guó)空間局“超越愛因斯坦”計(jì)劃兩大衛(wèi)星之一的“大爆炸觀測(cè)臺(tái)”衛(wèi)星也是探討測(cè)量中頻(0.11.

13、0hz)引力波.空間引力波探測(cè)的學(xué)術(shù)重要性由此可見一斑.我國(guó)空間科學(xué)的發(fā)展需要研討引力理論,研究衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的方案,大家正在集思廣益.中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所張?jiān)偌捌渌麑＜衣?lián)合提出tepo計(jì)劃,建議在10-16精度內(nèi)驗(yàn)證弱等效原理和在10-14精度內(nèi)驗(yàn)證新型的二維等效原理;華中科技大學(xué)羅俊等人提出tiss計(jì)劃,希望利用高精度空間靜電懸浮加速度計(jì)將檢驗(yàn)牛頓引力的反比定律精度提高3個(gè)數(shù)量級(jí).中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)倪維斗的計(jì)劃是希望探測(cè)低頻(510-6 510-3hz)引力波;中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所劉潤(rùn)球則關(guān)注空間的中頻(10-2 100hz)引力波探測(cè).這些方案都還在蘊(yùn)釀過程中.2.2 空間冷原子

14、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2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),它們是當(dāng)代物理學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域之一.bec有時(shí)也稱為物質(zhì)的第五態(tài),它是1925年愛因斯坦預(yù)言的物質(zhì)狀態(tài),即當(dāng)氣體溫度低于其極限溫度時(shí),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(10-15 k)量子相變等.另一方面,它蘊(yùn)育著許多重大的應(yīng)用前景,諸如原子激光高精度時(shí)標(biāo)等.微重力環(huán)境可以更好地降低氣體的溫度,改進(jìn)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

15、空間bec研究也正在安排當(dāng)中.作為該領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用項(xiàng)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(yīng),可以使冷氣體原子鐘的精度達(dá)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(gè)數(shù)量級(jí),從而在軍事和民用上產(chǎn)生極大的價(jià)值.歐洲空間局和美國(guó)國(guó)家航空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為國(guó)際空間站的重要研究項(xiàng)目.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王育竹在地基的bec研究中取得很好的成果4,正在準(zhǔn)備研制空間的超高精度冷原子微波鐘,精度可達(dá)10-17;華東師范大學(xué)馬龍生提出進(jìn)行空間高精度光鐘研究的建議,精度可達(dá)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(huì)

16、表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì),成為物理學(xué)的新熱點(diǎn).微重力條件可以實(shí)現(xiàn)極小的靜壓梯度,可以提供更高精度的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)條件,從而在更高精度下驗(yàn)證理論和揭示新的規(guī)律.美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在航天飛機(jī)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(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了二階相變的重整化群理論1.科學(xué)家們提出了一批空間實(shí)驗(yàn)課題,諸如超流氦相變動(dòng)力學(xué),連續(xù)相變的普適性,氣-液臨界點(diǎn)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(diǎn)附近氦混合物的性質(zhì),約束和邊界效應(yīng),非平衡相變,分形結(jié)構(gòu)和圖樣形式,臨界現(xiàn)象,超流體的流體動(dòng)力學(xué),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(shè)備,耗資巨大.美國(guó)已暫停

17、這方面的研究,中國(guó)在短期內(nèi)還難于安排相關(guān)的空間實(shí)驗(yàn)條件.3 微重力流體物理微重力流體物理是微重力科學(xué)的重要領(lǐng)域,它是微重力應(yīng)用和工程的基礎(chǔ),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(chǔ)研究方面,微重力環(huán)境為研究新力學(xué)體系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了極好的條件,諸如非浮力的自然對(duì)流,多尺度的耦合過程,表面力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng),失重條件下的多相流和沸騰傳熱,以及復(fù)雜流體力學(xué)等.可以引入靜bond數(shù)bo=gl2/或動(dòng)bond數(shù)bd=g l2 /(?t? t)來分析重力作用和表向張力作用的相對(duì)重要性,其中 , 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,?t?和t分別是表面張力

18、梯度和特征溫差.bond數(shù)小于1時(shí),表面張力的作用會(huì)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(duì)應(yīng)于小尺度過程微重力過程或中性懸浮過程5.3.1 簡(jiǎn)單流體的對(duì)流和傳熱具有界面的流體體系普遍存在于自然科學(xué)和工程應(yīng)用中.研究熱毛細(xì)對(duì)流的規(guī)律,對(duì)于空間材料加工生物技術(shù)燃燒等過程中熱毛細(xì)對(duì)流控制都有重要意義,并對(duì)地面電子裝置的熱控制,食品加工過程,化學(xué)工程微電子機(jī)械系統(tǒng)(mems),薄膜等小尺度的流動(dòng)問題也有指導(dǎo)作用.微重力環(huán)境中流體的晃動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)與固體結(jié)構(gòu)的相互耦合是航天工程中經(jīng)常遇到的問題.對(duì)微重力環(huán)境中簡(jiǎn)單流體的傳熱和傳質(zhì)過程,人們主要研究毛細(xì)系統(tǒng)中臨界現(xiàn)象和浸潤(rùn)現(xiàn)象,熱毛細(xì)

19、對(duì)流的轉(zhuǎn)捩過程和振蕩機(jī)理,液滴熱毛細(xì)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(dòng)與傳熱研究的主要對(duì)象包括兩相流動(dòng)的流型沸騰與冷凝傳熱混合與分離等現(xiàn)象,對(duì)我國(guó)載人航天技術(shù)(如航天器熱與流體管理系統(tǒng)空間站與深空探測(cè)器等大型航天器動(dòng)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(shù)實(shí)驗(yàn)等)的發(fā)展有直接的應(yīng)用價(jià)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(jī)制,便于更深刻地揭示其流動(dòng)與傳熱機(jī)理.借助于微重力氣液兩相流動(dòng)與傳熱的深入研究,對(duì)我國(guó)實(shí)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(guān)

20、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用也有重要指導(dǎo)意義.3.3 復(fù)雜流體復(fù)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(fù)雜流體的許多行為特征會(huì)受對(duì)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(fù)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(fù)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(duì)顆粒體系本征運(yùn)動(dòng)行為的研究;臨界點(diǎn)現(xiàn)象的研究;以及材料制備石油開采和生物流體的相關(guān)問題研究.隨著人類深空探測(cè)活動(dòng)的展開,對(duì)不同重力場(chǎng)中分散體系物質(zhì)的操作與輸運(yùn)的要求,以及對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)知的需求十分

21、迫切.空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅能夠使我們獲得新的科學(xué)知識(shí),而且其科學(xué)成果對(duì)于地面材料及器件制備工藝的創(chuàng)新具有重要指導(dǎo)意義.對(duì)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的研究在材料設(shè)計(jì)中起到了切實(shí)的作用,如對(duì)復(fù)雜流體自組織現(xiàn)象的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)材料和器件的研制.近年來,復(fù)雜流體(軟物質(zhì))的力學(xué)和物理學(xué),接觸角接觸線和浸潤(rùn)現(xiàn)象等與物理化學(xué)密切相關(guān)的領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注6.3.4 近期的空間實(shí)驗(yàn)隨著國(guó)際空間站的逐步安裝,國(guó)外微重力空間實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目將逐步進(jìn)行.目前己經(jīng)納入計(jì)劃中的項(xiàng)目有:毛細(xì)流動(dòng):不同形狀介質(zhì)浸潤(rùn)性流體管理;熱毛細(xì)對(duì)流;流體的梯度漲落;soret 系數(shù)測(cè)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

22、;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(guó)家安排了進(jìn)行空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的“實(shí)踐-10”衛(wèi)星,將完成10項(xiàng)微重力科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn).這些實(shí)驗(yàn)包括空間熱毛細(xì)對(duì)流具有蒸發(fā)界面的對(duì)流顆粒材料物理沸騰傳熱復(fù)雜流體的結(jié)晶等流體物理空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.同對(duì),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(fù)雜流體穩(wěn)定性多相流傳熱等空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.我國(guó)的微重力流體物理已有較好基礎(chǔ),將會(huì)做出較大貢獻(xiàn).微重力流體物理所涉及的許多過程與微尺度流動(dòng)中的過程有許多相似性,引起人們的興趣.以中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室為主的流體物理研究有不少建樹,獲得國(guó)際同行的好評(píng).4 燃燒科學(xué)燃燒是一門古老的學(xué)科,而地面的燃燒過程都是和浮力對(duì)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(duì)流的影響,為研究燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程提供了極好的機(jī)遇.1957年,東京大學(xué)kumagai教授的0.5s落塔實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究和利用落塔進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)的時(shí)代.落塔設(shè)施己成為進(jìn)行微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的有力工具.微重力燃燒涉及了地面燃燒學(xué)的主要領(lǐng)域,美國(guó)國(guó)家航空和空