淺談空間的物理學

1、淺談空間的物理學 摘 要 近些年來,在微重力環(huán)境中進行基礎物理研究涉及到許多重大的基礎物理課題,引起了國際理論物理界的關注,并被稱為空間的基礎物理學;進而,各國的空間局逐漸將微重力科學稱之為空間的物理學,但空間的物理學并沒有改變微重力科學的基本內容.隨著國際空間站逐漸組裝完成,空間站成員國正抓緊安排計劃中的微重力科學實驗項目,預計會在2016年以前取得一批重大成果.另一方面,需要在專門衛(wèi)星上進行的引力理論和廣義相對論驗證實驗,也在安排之中.在美國進行gp-b衛(wèi)星計劃后,探測引力波的lisa計劃受到廣泛的關注.空間的物理學將在促進重大學術成果和開拓新的技術發(fā)展兩方面不斷取得進展.關鍵詞 微重力科

2、學,基礎物理,流體物理,燃燒學,材料科學,生物技術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 引言當一個空間飛行器環(huán)繞地球以第

6、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心位置.如果不考慮大氣阻力光輻射壓力質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

7、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

8、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1引力質量mg和慣性質量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,

9、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=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)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mini step計劃,其實驗精度為10-15;法國的小型衛(wèi)星(micr

10、oscope)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(gravity probe-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量物體存在而彎曲(測地效應),和大質量物體的旋轉拖動周圍時空結構發(fā)生扭曲(慣性系拖曳效應).用4個旋轉球體作為陀螺儀,地球引力拖曳會影響球體的轉軸.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

11、月終止數(shù)據(jù)采集.原預計2006年夏公布結果,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),并盡快宣布觀測結論.初步結果顯示,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太陽質量的黑洞,相應的頻率

12、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2010年發(fā)射lisa pathfinder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(0.11.

13、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精度內驗證弱等效原理和在10-14精度內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(510-6 510-3hz)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(10-2 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

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有時也稱為物質的第五態(tài),它是1925年愛因斯坦預言的物質狀態(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.作為一種新的物質狀態(tài),它包含著許多新的基本物理規(guī)律,等待人們去探索,諸如物質波及其相干性低溫極限(10-15 k)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

15、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. 2.3 低溫凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物質在極低溫條件下會

16、表現(xiàn)出許多特異的性質,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)的比熱奇異性實驗,初步驗證了二階相變的重整化群理論1.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,相圖特殊點附近氦混合物的性質,約束和邊界效應,非平衡相變,分形結構和圖樣形式,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

17、這方面的研究,中國在短期內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=gl2/或動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,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5.3.1 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

19、對流的轉捩過程和振蕩機理,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

20、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體系,也有人稱之為軟物質.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

21、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)應用于納米結構材料和器件的研制.近年來,復雜流體(軟物質)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6.3.4 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

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