空间的物理学

1引言当航天器以第一宇宙速度绕地球自主飞行时，我们可以选择一个(本地)惯性参考系统，其原点在航天器的质量中心。如果不考虑大气阻力光辐射压力的质心偏移引起的各种干扰力，地球引力和空间飞行器中物体运动的离心力将被抵消，物体处于“失重”状态。换句话说，这个物体处于微重力状态。所谓的“微重力”是指地球表面的有效重力水平是地球表面重力水平的10-6倍。在实际环绕地球的航天器中，有效重力水平与频率有关，低频时达到10-3，高频时优于10-6。除了在地面上抛物线飞行的失重飞机和可达10分钟以上的微重力火箭。用于微重力实验的航天器包括返回卫星、不带返回卫星的载人宇宙飞船、航天飞机和空间站。对于各种载人航天器来说，人的干扰是不可避免的，并且飞行器中的有效重力很难达到微重力水平。然而，验证重力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞行(毫微微、微)重力至atto(微)重力环境，并且通常需要发射专门的基本物理卫星。随着载人航天活动的发展，人们需要进一步了解微重力环境下物质运动的规律，从而发展微重力科学这一微重力极端环境下的学术领域。在微重力环境下，地球重力的影响大大减弱，控制地面过程的浮力、对流、降水和分层以及重力引起的静压梯度大大减小，表面张力和润湿的影响变得突出。自20世纪70年代和80年代以来，微重力科学主要研究微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学和空间生物技术。在过去的十年里，微重力条件提供的高精度物理环境吸引了一批理论物理学家。他们希望太空中的微重力环境能够用来更好地检验广义相对论和引力理论，以及低温原子物理学和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题。因此，形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理学。最近，人们经常把微重力科学的这些领域称为空间物理学，即利用微重力环境来研究物理规律。为了区别于地面重力环境中的物理学，应该指出中国的“空间物理学”和“空间物理学”是两个不同的概念。后者主要研究太阳系等离子体的运动规律和行星科学，不涉及基础物理学的前沿问题。2.1空间的基本物理，广义相对论和引力理论的验证[1]等重力质量mg和惯性质量mi的(弱)等效原理是爱因斯坦广义相对论的强等效原理假设的基础[12]。文献中记载的弱等效原理的验证是从牛顿摆实验开始的，Eotvos的扭转实验更准确。现代月地激光测距实验已经测试了强等效原理[12]。到目前为止，[12]，弱等效原理的实验精度η= 2≈mg-mi√/(mg+mi)已经达到10-13，这在地面实验中是很难提高的。目前一些重力理论认为，将测量精度提高到10-15以上可能揭示广义相对论的问题，具有很大的学术价值。这只能在太空微重力条件下实现[2]。世界上酝酿多年的“等效原理卫星测试”计划，试图将弱等效原理的实验精度提高到10-18。STEP项目没有得到美国项目批准基金的支持，现在项目批准基金更加困难。目前，一些欧洲国家正试图安排实验精确度为10-15的MiniSTEP程序。法国的显微镜计划于2010年推出。旨在测试10-15精度[13]的弱等效原理。重力探测器B (GP-B)项目是美国航天局赞助的一个项目，由斯坦福大学GP-B团队领导。这个程序的主要任务是验证广义相对论的空间弯曲和拖曳效应。也就是说，验证时间和空间由于地球大质量物体的存在而弯曲(大地测量效应)，以及大质量物体旋转阻力周围的时空结构被扭曲(惯性系统阻力效应)。用四个旋转的球体作为陀螺仪，地球的引力会影响球体的旋转轴。飞马座中的一颗星用于校准陀螺仪的旋转轴方向，望远镜用于测量“大地测量效应”。球体旋转轴的进动是0.000011度。“惯性系统阻力效应”的检测。GP-B卫星于2004年4月发射，数据采集于2005年9月终止。结果原本预计在2006年夏天公布。然而，由于电场和其他因素对球体取向的影响，其他影响仍需研究。目前，正在加强对真正有效的时空信号数据的分析，并尽快公布观测结论。初步结果表明，更为显著的“大地测量效应”从数据中完全可见，并正朝着完全证实广义相对论的方向前进。刚刚看到“惯性系统拖曳效应”的线索。实验结果似乎验证了广义相对论，人们期待着[3]最终宣布的科学结果。引力波是广义相对论预言的现象。四十年前，有人声称高频引力波是在地面上测量的。掀起重力探测的热潮。低频引力波只能在太空中被探测到。欧洲航天局和美国航天局联合推出了“激光干涉全球天线”计划，用于探测太空中的引力波。它的探测源是一个108太阳质量的黑洞，相应的频率为10-3-10-1赫兹。LISA计划由三颗卫星组成，相隔500万公里，由等边三角形组成。每个卫星分别有两个悬挂的测试质量。位于激光平台的前端。当引力波传输到卫星环境中时，会引起测试质量的轻微位移。小于纳米级的位移将通过激光干涉测量法来推断引力波的存在。为了验证LISA计划的关键技术，LISAPathfinder卫星将于2010年发射。LISA计划预计将在2019年后推出。引力波探测的成功不仅验证了广义相对论的预测，而且开拓了引力波天文学，具有重要意义。欧洲航天局已将LISA计划列为中长期的首选。美国宇航局“超越爱因斯坦”计划的“大爆炸天文台”卫星是两个主要卫星之一，也在探索中频(0.1-1.0赫兹)引力波的测量。这表明了空间引力波探测的学术重要性。我国空间科学的发展需要讨论引力理论，研究卫星实验方案。每个人都在集思广益。中科院理论物理研究所的张等专家共同提出了TEPO方案，提出验证10-16精度内的弱等价原则和10-14精度内的新二维等价原则。华中科技大学的罗俊等人提出了TISS计划，希望利用高精度的空间静电悬浮加速度计将牛顿重力逆定律的精度提高3个数量级。中国科学院紫金山天文台的倪计划探测低频(5× 10-6-5× 10-3Hz)引力波。中国科学院应用数学研究所的刘润秋致力于空间中频引力波的探测。这些计划仍在酝酿之中。2.2空间冷原子物理学和原子钟研究激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)分别获得1997年和2001年诺贝尔物理学奖。它们是当代物理学中最活跃的前沿领域之一。BEC有时被称为物质的第五种状态。这是爱因斯坦在1925年预测的物质状态，也就是说，当气体的温度低于其极限温度时，所有冷原子聚集在最低的量子能态，显示出玻色子的特殊证据。作为一种新的物质状态，它包含了许多新的基本物理规律，等待人们去探索，如物质波的低温极限(10-15K)量子相变及其相干性。另一方面，它意味着许多重要的应用前景。如原子激光高精度时标等。微重力环境可以更好地降低气体温度，提高谱线的宽度和稳定性，提高系统的信噪比，从而为研究提供更好的条件。欧洲航天局的太空BEC研究也正在安排中。作为该领域的一个重要应用项目，空间冷气体原子钟的发展备受关注。地面被激光和冷原子喷泉效应冷却。冷气体原子钟的精度可以达到10-16。在微重力环境下，冷气体原子钟的精度可以提高一个数量级，从而在军事和民用方面产生巨大的价值。欧洲航天局和美国国家航空航天局都将空间冷原子钟的研究视为国际空间站的一个重要研究项目。中国科学院上海光学精密机械研究所的王玉柱在BEC地面研究方面取得了很好的成果，[4]，并正在准备研制超高精度的空间冷原子微波钟，精度为10-17。华东师范大学的马龙生提出进行空间高精度光学时钟的研究，精度为10-18。