介紹物理學(xué)空間分析
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(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(shuō)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(mén)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)空間材料科學(xué)和空間生物技術(shù).近十余年來(lái),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(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(wèn)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(lái),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(lái)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(yáng)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(wèn)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
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(ài)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(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(cè)量精度提高到10-15以上有可能揭示廣義相對(duì)論的問(wèn)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(méi)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MiniSTEP計(jì)劃,其實(shí)驗(yàn)精度為10-15;法國(guó)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].
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(5×10-6—5×10-3Hz)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(guò)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(ài)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(ài)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(guò)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.
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