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空间的物理学

减小字体 增大字体 作者:胡文瑞  来源:不详  发布时间:2008-10-18 8:06:16
编者按 空间的物理学是利用微重力环境来研究物质运动规律的一门科学,其中的空间基础物理涉及利用空间微重力环境更好地检验引力理论、低温原子物理和低温凝聚态物理中的许多基础物理前沿问题.空间的物理学研究不仅会推动我国基础科学研究前沿领域的发展,而且会促进我国航天技术水平的进一步提高.我国载人航天工程和返回式科学实验卫星的成功都促进了空间的物理学发展;正在酝酿的一些专门的科学实验卫星项目可望为我国空间基础物理研究做出贡献.微重力条件提供的高精度物理实验环境吸引了一批理论物理学家,他们期盼微重力实验能使一批基础物理难题取得突破性进展.在此背景下,本刊特组织“空间的物理学”专题,分两期刊登,以飨读者.
  
  摘 要 近些年来,在微重力环境中进行基础物理研究涉及到许多重大的基础物理课题,引起了国际理论物理界的关注,并被称为空间的基础物理学;进而,各国的空间局逐渐将微重力科学称之为空间的物理学,但空间的物理学并没有改变微重力科学的基本内容.随着国际空间站逐渐组装完成,空间站成员国正抓紧安排计划中的微重力科学实验项目,预计会在2016年以前取得一批重大成果.另一方面,需要在专门卫星上进行的引力理论和广义相对论验证实验,也在安排之中.在美国进行GP-B卫星计划后,探测引力波的LISA计划受到广泛的关注.空间的物理学将在促进重大学术成果和开拓新的技术发展两方面不断取得进展.
  关键词 微重力科学,基础物理,流体物理,燃烧学,材料科学,生物技术
  
  Physics in space
  HU Wen-Rui
  (Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190,China)
  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 known 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 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 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, biotechnology
  
  1 引言
  
  当一个空间飞行器环绕地球以第一宇宙速度自主飞行时,我们可以选择一个(局部)惯性参考系,其原点位于空间飞行器的质心位置.如果不考虑大气阻力、光辐射压力、质心偏离引起的各种扰动力,则空间飞行器中物体受到的地球引力与运动离心力抵消,物体处于“失重”状态,或者说物体处于微重力水平中.所谓“微重力”是指该处的有效重力水平为地球表面重力水平的10-6.在实际的绕地球飞行器中,有效重力水平与频率相关,低频时达到10-3,高频时优于10-6.除了地面的落塔、抛物线飞行的失重飞机和可达十几分钟的微重力火箭外,用于微重力实验的空间飞行器有返回式卫星和不返回卫星、载人飞船、航天飞机和空间站.各种载人空间飞行器不可避免人的干扰,飞行器中的有效重力很难达到微重力水平;而验证引力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞 (femto,亳微微)重力至阿(atto,微微微)重力环境,一般需要发射专门的基础物理卫星.
  随着载人空间活动的发展,人们需要进一步认识微重力环境中的物质运动规律,从而发展了微小重力这种极端环境下的学术领域——微重力科学.在微重力环境中,地球重力的影响极大地减弱,控制地面过程的浮力对流、沉淀和分层以及由重力引起的静压梯度都极大地降低,表面张力和润湿等作用变得突出.从上世纪七八十年代以来,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.近十余年来,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,他们希望利用空间的微重力环境能更好地检验广义相对论和引力理论以及低温原子物理和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题.这样就形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理.近来,人们常常把这些微重力科学的领域统称为空间的物理学,它是利用微重力环境来研究物理学规律,以区别于在地面重力环境中

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