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物理學(xué)空間　由物理網(wǎng)資料整理

1引言

當(dāng)一個(gè)空間飛行器環(huán)繞地球以第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力,則空間飛行器中物體受到的地球引力與運(yùn)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(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.

隨著載人空間活動的發(fā)展,人們需要進(jìn)一步認(rèn)識微重力環(huán)境中的物質(zhì)運(yùn)動規(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(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力環(huán)境能更好地檢驗(yàn)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(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),Eotvos的扭稱實(shí)驗(yàn)更為精確;現(xiàn)代的月-地激光測距實(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η=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(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.目前歐洲一些國家正在爭取安排MiniSTEP計(jì)劃,其實(shí)驗(yàn)精度為10-15;法國的小型衛(wèi)星(MicroScope)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-乙(GravityProbe-B,GP-B)計(jì)劃是美國空間局主持的計(jì)劃,由美國斯坦福大學(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(測地效應(yīng)),和大質(zhì)量物體的旋轉(zhuǎn)拖動周圍時(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)鏡測量“測地效應(yīng)”.通過球體轉(zhuǎn)軸進(jìn)動0.000011度,探測“慣性系拖曳效應(yīng)”.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(yù)計(jì)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(jìn)行研究.現(xiàn)正在加緊分析真正有效的時(shí)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(yīng)’從數(shù)據(jù)中完全可見,正在完全證實(shí)廣義相對論的道路上前進(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].

引力波是廣義相對論理論預(yù)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(jìn)空間探測引力波的“激光干涉全球天線”(LISA)計(jì)劃,它的探測源是108太陽質(zhì)量的黑洞,相應(yīng)的頻率是10-3—10-1Hz.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量小于納米量級的位移,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LISAPathfinder衛(wèi)星,而LISA計(jì)劃預(yù)計(jì)在2019年以后發(fā)射.引力波探測的成功不僅可以驗(yàn)證廣義相對論理論的預(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(xué)術(shù)重要性由此可見一斑.

我國空間科學(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.中國科學(xué)院理論物理研究所張?jiān)�仲及其他專家�?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.中國科學(xué)院紫金山天文臺倪維斗的計(jì)劃是希望探測低頻(5×10-6—5×10-3Hz)引力波;中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)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(yùn)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(xué)獎,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(10-15K)?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,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(xiàng)目.

中國科學(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.