介紹物理學(xué)空間分析
1引言
當(dāng)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(chǔ)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(xué)術(shù)領(lǐng)域——微重力科學(xué)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(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(shè)的基礎(chǔ)[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(xué)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].
我國空間科學(xué)的`發(fā)展需要研討引力理論,研究衛(wèi)星實驗的方案,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(xué)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(xué)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(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,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(yīng)用前景,諸如原子激光?高精度時標(biāo)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(dāng)中.
作為該領(lǐng)域的一個重要應(yīng)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(yīng),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(xué)院上海光學(xué)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(zhǔn)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(xué)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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