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1引言
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(guān),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(shù)領(lǐng)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(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(lǐng)域——空間基礎物理.近來,人們常常把這些微重力科學的領(lǐng)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[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論愛因斯坦強等效原理假設的基礎[12].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[12].到目前為止[12],弱等效原理的實驗精度η=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(shù)價值,這只能在空間微重力條件下才能實現(xiàn)[2].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2010年發(fā)射,擬在10-15精度上檢驗弱等效原理[13].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(gòu)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2004年4月發(fā)射,2005年9月終止數(shù)據(jù)采集.原預計2006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[3].
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10-3—10-1Hz.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(guān)鍵技術(shù),將于2010年發(fā)射LISAPathfinder衛(wèi)星,而LISA計劃預計在2019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,還將開辟引力波天文學,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(0.1—1.0Hz)引力波.空間引力波探測的學術(shù)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(5×10-6—5×10-3Hz)引力波;中國科學院應用數(shù)學研究所劉潤球則關(guān)注空間的中頻(10-2—100Hz)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2001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(lǐng)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(lǐng)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[4],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.
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