介紹物理學空間分析

　　1引言

當一個空間飛行器環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,其原點位於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,物體處於“失重”狀態,或者説物體處於微重力水平中.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,高頻時優於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,用於微重力實驗的空間飛行器有返回式衞星和不返回衞星?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)重力環境,一般需要發射專門的基礎物理衞星.

隨着載人空間活動的發展,人們需要進一步認識微重力環境中的物質運動規律,從而發展了微小重力這種極端環境下的學術領域——微重力科學空間材料科學和空間生物技術.近十餘年來,微重力條件提供的高精度物理環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境能更好地檢驗廣義相對論和引力理論以及低温原子物理和低温凝聚態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.領域統稱為空間的物理學,它是利用微重力環境來研究物理學規律,以區別於在地面重力環境中的物理學.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,後者主要研究太陽系等離子體的運動規律和行星科學,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

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於牛頓的擺實驗,Eotvos的扭稱實驗更為精確;現代的月-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,這隻能在空間微重力條件下才能實現[2].國際上藴釀多年的“等效原理的衞星檢驗”(STEP)計劃,試圖將弱等效原理的實驗精度提高到計劃一直沒有獲得美國的立項經費支持,現在的立項經費就更加困難了.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;法國的小型衞星(MicroScope)計劃於2010年發射,擬在10-15精度上檢驗弱等效原理[13].

我國空間科學的發展需要研討引力理論,研究衞星實驗的方案,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個數量級.中國科學院紫金山天文台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.這些方案都還在藴釀過程中.

　　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)曾分別於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有時也稱為物質的第五態,它是1925年愛因斯坦預言的物質狀態,即當氣體温度低於其極限温度時,所有冷原子都聚集在最低量子能態上,表現出玻色子的特證.作為一種新的物質狀態,它包含着許多新的基本物理規律,等待人們去探索,諸如物質波及其相干性?低温極限(10-15K)?量子相變等.另一方面,它藴育着許多重大的應用前景,諸如原子激光?高精度時標等.微重力環境可以更好地降低氣體的温度,改進譜線的寬度和穩定性,提高系統的信噪比,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.

作為該領域的一個重要應用項目,空間冷氣體原子鐘的研製受到重視.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.而在微重力環境中,則可以使冷氣體原子鐘的精度提高一個數量級,從而在軍事和民用上產生極大的價值.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],正在準備研製空間的超高精度冷原子微波鍾,精度可達10-17;華東師範大學馬龍生提出進行空間高精度光鍾研究的建議,精度可達10-18.