“不明覺厲”，天宮二號(hào)上的實(shí)驗(yàn)

王煜

太空中與地面顯著不同的環(huán)境條件，使得人類一旦將飛行器發(fā)射上天，總要想方設(shè)法攜帶一些儀器、材料進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。我國的天宮二號(hào)也不例外，并且，它要開展的各類實(shí)驗(yàn)達(dá)到了史無前例的14項(xiàng)，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，其中兩項(xiàng)由航天員直接參與操作，還有一項(xiàng)國際合作。這讓它成為我國史上實(shí)驗(yàn)任務(wù)最多的太空飛行器。

這些實(shí)驗(yàn)包括哪些內(nèi)容，能對(duì)我們的生活產(chǎn)生什么影響？一起來看看其中的幾個(gè)代表吧。

“小蜜蜂”探尋伽瑪暴

首先登場(chǎng)的是“小蜜蜂”，這也是此次天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上唯一的一項(xiàng)國際合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

它的大名叫“天極”（POLAR），全稱“伽瑪暴偏振探測(cè)儀”?？茖W(xué)家們之所以給它取了這個(gè)昵稱，是因?yàn)檫@個(gè)儀器是由1600根塑料閃爍棒組成一個(gè)陣列，猶如1600個(gè)小眼組成一只蜜蜂的復(fù)眼。從全名可知，這只“復(fù)眼”不是用來看一般的東西，而是用來探測(cè)宇宙中最閃耀的爆炸——伽瑪暴。

宇航員王亞平在天宮一號(hào)內(nèi)，為地球上的觀眾們表演了一回太空中的小實(shí)驗(yàn)。

伽瑪射線是能量最強(qiáng)的電磁波，它的能量比可見光大幾十萬倍以上。伽瑪射線暴（簡稱伽瑪暴）是來自宇宙空間的伽瑪射線短時(shí)間突然增強(qiáng)的現(xiàn)象。雖然伽瑪暴的持續(xù)時(shí)間長者只有數(shù)百秒，短者更是不足數(shù)十毫秒，但釋放的能量幾乎搶了整個(gè)宇宙的風(fēng)頭，瞬時(shí)亮度甚至有可能勝過全宇宙其他天體的總和。

1997年12月14日發(fā)生一次伽瑪暴，距離地球遠(yuǎn)達(dá)120億光年，在50秒內(nèi)所釋放出的伽瑪射線能量就相當(dāng)于整個(gè)銀河系200年的總輻射能量。這次伽瑪暴持續(xù)時(shí)間在一兩秒內(nèi)，其亮度與除它以外的整個(gè)宇宙一樣明亮。因此，人們把這樣壯麗的景象，稱為恒星最后的“生命之花”。

但這樣的“生命之花”對(duì)真正的生命卻會(huì)帶來毀滅：伽馬射線對(duì)生物有極強(qiáng)的殺傷力。伽瑪暴在宇宙中隨時(shí)隨地可能發(fā)生，對(duì)我們的影響有多大，取決于伽瑪暴的距離。如果發(fā)生在100光年內(nèi)，且正好對(duì)準(zhǔn)地球，事情就糟糕了。有人認(rèn)為，伽瑪暴可能是導(dǎo)致地球4.5億年前的奧陶紀(jì)大滅絕事件（第一次生物大滅絕）的原因之一，在那次事件中，85%的海洋生物滅絕。伽瑪暴也可能是人類還未發(fā)現(xiàn)外星生命的一個(gè)原因，這些外星生命或許已經(jīng)被意外的伽瑪暴毀滅了。

如果距離遠(yuǎn)一些，達(dá)到幾千上萬光年以上，這樣的伽瑪暴不會(huì)對(duì)地面的生物造成什么影響，因?yàn)橘ゑR射線會(huì)被地球的大氣層吸收，這也是“小蜜蜂”要飛到太空中才能更好探測(cè)伽瑪暴的原因。但麻煩還是有的：就如同一顆超級(jí)電磁脈沖炸彈爆炸，大氣層之上的衛(wèi)星、飛船，地面上的電網(wǎng)可能全部癱瘓，損失也不小。

從1973年公布發(fā)現(xiàn)伽瑪暴以來，關(guān)于它的研究一直是天文學(xué)和物理學(xué)中一個(gè)極其活躍的前沿領(lǐng)域。

目前伽瑪暴的成因還沒有定論，比較公認(rèn)的是與宇宙中接近光速的噴流現(xiàn)象有關(guān)。一些觀點(diǎn)認(rèn)為這種噴流是在大質(zhì)量恒星死亡的過程中產(chǎn)生的，也有人猜測(cè)是兩個(gè)致密天體如中子星的合并產(chǎn)生的。這兩種過程一般都伴隨著黑洞的產(chǎn)生。

2015年9月14日，人類首次觀測(cè)到了引力波，這是由兩個(gè)恒星級(jí)黑洞并合而產(chǎn)生的。就在其發(fā)生0.4秒之后，美國費(fèi)米伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了一起暗弱的伽瑪暴事件，持續(xù)大約1秒鐘。盡管兩者可能為巧合，但這一伽瑪暴事件看起來很可能就是由那兩個(gè)黑洞并合而觸發(fā)的。伽瑪暴和引力波之間有什么關(guān)系，也成為科學(xué)界探究的話題。

“我現(xiàn)在很激動(dòng)，我們希望能夠第一次精確探測(cè)到伽瑪暴偏振信息，希望通過這個(gè)儀器能夠把伽瑪暴產(chǎn)生的過程看得更清楚。我們另外一個(gè)重要任務(wù)就是研究引力波產(chǎn)生的時(shí)候，是否有伽瑪暴。這樣我們就可以知道產(chǎn)生引力波的事件究竟是怎么回事。這個(gè)研究是很有趣的?！敝袊茖W(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、天宮二號(hào)伽瑪暴偏振探測(cè)儀首席科學(xué)家張雙南說。

嚴(yán)格來說，目前世界上還沒有對(duì)伽瑪暴偏振的有效測(cè)量結(jié)果。而“小蜜蜂”對(duì)伽瑪暴偏振的測(cè)量能力比國際上其他現(xiàn)有儀器強(qiáng)10倍以上，這樣的儀器是人類歷史上開創(chuàng)性的，由中法兩國合作研制。

“小蜜蜂”的外觀像一盒方形蛋糕，重約30公斤，它的偏振探測(cè)器部分安裝于天宮二號(hào)的艙外，指向太空，可以有效地捕捉到伽瑪暴過程中產(chǎn)生的伽瑪光子。在兩年的運(yùn)行期里，它預(yù)計(jì)可以探測(cè)到大約100個(gè)伽瑪暴。

“煉丹爐”與“液體橋”

和太上老君的兜率宮里一樣，在天宮二號(hào)上，也有一個(gè)“煉丹爐”，不過里面煉造的既不是長生仙丹也不是齊天大圣，而是各種新型材料。

“煉丹爐”正式名稱是綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置，呈圓柱形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)像一把左輪手槍?！皹尮堋笔菭t膛，是工程人員歷經(jīng)三年多的攻關(guān)研制而成的，最大功耗僅有200瓦，卻能在真空環(huán)境下把材料加熱到950攝氏度的高溫，空間材料的制備和處理就是在其中完成的，控制爐膛的溫度，可實(shí)現(xiàn)材料的熔化和凝固。左輪手槍的“彈夾”是“樣品管理艙”，也就是放置待處理的材料樣品的地方，材料樣品的裝在“試管”里，看上去也真的很像加長版的“子彈”。

NASA模擬火星生活。

“彈夾”的容量為6發(fā)，而科學(xué)家計(jì)劃要進(jìn)行18個(gè)樣品的空間實(shí)驗(yàn)，那么“上子彈”的工作就要交給后續(xù)造訪這里的航天員了。航天員進(jìn)行材料實(shí)驗(yàn)爐的開蓋換樣品操作，將是中國航天員首次在軌操作的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。航天員將兩次開蓋換樣品，之后將這些完成實(shí)驗(yàn)的樣品帶回地面，供科學(xué)家分析研究。第三批次的6個(gè)樣品將留軌進(jìn)行裝置熱特性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)傳回地面進(jìn)行分析研究。

天宮二號(hào)上將開展包括半導(dǎo)體光電子晶體材料、納米復(fù)合和新型金屬基復(fù)合材料等在內(nèi)的12項(xiàng)材料的生長與制備，所有實(shí)驗(yàn)均為國際首次。這些材料包括多晶碲化鋅、介孔基納米復(fù)合材料、多組元復(fù)相合金……這些名字聽起來十分生澀專業(yè)，而它們的作用都是很關(guān)鍵的，有的將幫助我們制造更高效且靈敏的外太空探測(cè)器，有的是更加完美的光通信材料，有的可用于制造更輕、更小、運(yùn)行速度更快的電子設(shè)備。

科學(xué)家們之所以要做樣的“煉丹”實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)樵谔盏奈⒅亓Νh(huán)境下，很多材料的形成過程會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致最終材料的性能變化，他們希望能生產(chǎn)出在地球上難以制造出來的高性能材料或獨(dú)特的材料。

在天宮二號(hào)上要做的另一個(gè)聽起來相當(dāng)令人費(fèi)解的實(shí)驗(yàn)，目的也是為了能生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的材料，它叫“液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)”。

“液橋”是什么東西呢？它是連接著兩個(gè)固體表面之間的一段液體。其實(shí)大家對(duì)它并不陌生，比如你在洗手的時(shí)候，把兩根手指并攏再打開一點(diǎn)點(diǎn)距離，這時(shí)連接兩個(gè)手指之間的小水柱就是液橋。

液橋的作用可不小。比如干沙粒只會(huì)在指縫間流失，而倒進(jìn)水之后，你就可以用沙子搭建城堡，是因?yàn)樗谏沉Ｖg形成了液橋，使得散沙能夠凝聚成團(tuán);再比如毛筆蘸了墨水后能形成筆鋒，也是因?yàn)槟诠P毫間形成了液橋。

氣液界面之間存在著表面張力，使得液體表面好比有一層很薄的彈性薄膜。正是這樣一層“虛擬”的薄膜，使得液橋的表面形貌得以維持，而不會(huì)垮塌。由于表面張力很弱，所以在地球上正常重力環(huán)境下形成的液橋直徑通常只有幾毫米，再大就撐不住了。

而到了太空的微重力環(huán)境下，液體表面張力的作用大了許多，大尺寸的液橋就能搭起來了。目前，國際空間站上已經(jīng)做出了直徑50毫米的液橋。

而在天宮二號(hào)上，搭建液橋使用的液體是一種低黏度硅油，這是很多化妝品中的成分。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這座液橋的直徑是20毫米，橋的“跨度”范圍是3至20毫米。如果是在地球上，這樣的液橋“跨度”只能做到4毫米?？茖W(xué)家要嘗試在太空里做出130多種液橋，它們的尺寸形狀各不相同。

除了尺寸更大，太空中的液橋還有獨(dú)特的效應(yīng)。當(dāng)一端熱一端冷的時(shí)候，在液體表面張力的作用下，液橋就會(huì)產(chǎn)生熱毛細(xì)流動(dòng)。但在地球上時(shí)，由于浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細(xì)效應(yīng)一度被忽視?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)以為，只要沒有重力，浮力對(duì)流就會(huì)消失，那么，在太空中將是理想的無對(duì)流環(huán)境。如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會(huì)得到高純度的單晶。

但事與愿違，因?yàn)楦×?duì)流雖然因?yàn)槲⒅亓ΧЯ?，但熱毛?xì)對(duì)流開始起作用了，晶體還是有條紋。更不可思議的是，當(dāng)溫差超過臨界條件時(shí)，這種熱毛細(xì)流動(dòng)還會(huì)進(jìn)入一種振蕩流的狀態(tài)，可以表現(xiàn)為溫度的振蕩。在晶體生長的過程中忽冷忽熱，不出現(xiàn)條紋才怪。

而也正是通過太空和地面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家才知道，即使在地面，熱毛細(xì)流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致條紋缺陷，只是之前沒被人們發(fā)現(xiàn)而已。

因此，液橋成為“太空微重力流體力學(xué)研究”的一個(gè)重要課題，就是為了看清熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象的“真面目”，服務(wù)于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)。該項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員康琦說：“研究熱毛細(xì)對(duì)流問題對(duì)于在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中提高結(jié)晶晶體的質(zhì)量具有重要意義。比如我們想生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，就要科學(xué)控制浮力對(duì)流和熱毛細(xì)對(duì)流對(duì)單晶硅在晶體生長過程的影響?！?/p>

種棵菜，對(duì)個(gè)時(shí)

《新民周刊》記者曾于2011年西安世園會(huì)時(shí)參觀過當(dāng)?shù)氐摹疤罩参锊┯[園”，這些經(jīng)過太空育種的植物，回到地面生長后都有驚人的變異，例如“番茄長成樹”“南瓜一米粗”。而在天宮二號(hào)上要做的植物實(shí)驗(yàn)，是要把從種子到種子的完整過程都在太空中實(shí)現(xiàn)，這顯然是為了解決將來人類太空生活的吃飯問題。

太空微重力條件下，植物發(fā)生的最明顯的變化就失去了向重力性反應(yīng)。比如，在地球重力條件下，水稻、小麥的地上部分都直立向上生長，而在空間微重力條件下則表現(xiàn)為無一定方向性，這可能影響到植物的光合作用，導(dǎo)致產(chǎn)量大大減少。

針對(duì)糧食和蔬菜的空間種植，天宮二號(hào)選擇了水稻和擬南芥為研究對(duì)象。水稻不用多說，是典型的糧食作物。而擬南芥與油菜、蘿卜、卷心菜等同為十字花科植物，它本是一種無名小草，既不好吃也不好看，對(duì)人類毫無經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但它的植株較?。ㄒ粋€(gè)8cm見方的培養(yǎng)缽可種植4-10株）、生長周期短（從發(fā)芽到開花約4-6周）、結(jié)實(shí)多（每株植物可產(chǎn)生數(shù)千粒種子）。這些特點(diǎn)使得擬南芥的突變表型易于觀察，為突變體篩選提供了便利;它是典型的自交繁殖植物，易于保持遺傳穩(wěn)定性;同時(shí)，可以方便地進(jìn)行人工雜交，利于遺傳研究。

科學(xué)家們希望通過太空實(shí)驗(yàn)，來研究微重力條件下高等植物從種子到種子的生長發(fā)育規(guī)律，探索微重力條件下植物的光周期誘導(dǎo)開花規(guī)律與調(diào)控機(jī)理。而植物生長的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)都可以通過地面發(fā)給培養(yǎng)箱的遙控指令來調(diào)節(jié)，比如控制光照周期、溫度、濕度、營養(yǎng)液供給等。

實(shí)驗(yàn)中，如果種子正常發(fā)芽，將長出6棵水稻和約30棵擬南芥，其中有3至6棵擬南芥將在結(jié)出種子后，被航天員帶回地球。擬南芥的實(shí)驗(yàn)持續(xù)兩個(gè)月左右，而水稻的實(shí)驗(yàn)持續(xù)三四個(gè)月至半年。為期半年的長周期空間密閉培養(yǎng)植物，在中國還是第一次。

在“種菜”的間隙，航天員也許想看個(gè)時(shí)間，而天宮二號(hào)上就搭載了一臺(tái)可能是目前人類最準(zhǔn)的鐘，3000萬年到3億年才誤差1秒。這就是人類歷史上第一臺(tái)在軌進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的空間冷原子鐘。

這臺(tái)原子鐘為什么那么準(zhǔn)？因?yàn)樗堋案呃洹保核谔罩?，位置“高”，微重力環(huán)境下，原子團(tuán)做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，基于對(duì)這種運(yùn)動(dòng)的精細(xì)測(cè)量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而獲得更高精度的原子鐘信號(hào)。用激光冷卻技術(shù)將原子溫度從室溫降低到接近絕對(duì)零度，夠“冷”了之后，這些原子就幾乎不動(dòng)了，再進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。

超級(jí)準(zhǔn)的鐘能做什么？

以往，衛(wèi)星、飛船等太空飛行器與地面高精度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行同步時(shí)，會(huì)受到空間軌道與地球表面之間的大氣和電離層的干擾，出現(xiàn)各種誤差和不穩(wěn)定。有了空間冷原子鐘的在軌運(yùn)行，就可以在太空中建立超高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，對(duì)其他衛(wèi)星上的原子鐘進(jìn)行無干擾的時(shí)間信號(hào)傳遞和校準(zhǔn)，使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更加精確和穩(wěn)定。

而目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只能用于近地范圍，未來有沒有可能實(shí)現(xiàn)太陽系行星間甚至更大尺度上的定位呢？可以的。若是能在空間合適的位置放置冷原子鐘，就可以實(shí)現(xiàn)這種大尺度高精度導(dǎo)航。

此外，用空間冷原子鐘，還能探測(cè)暗物質(zhì)、測(cè)量引力紅移;用空間冷原子干涉儀還能探測(cè)引力波。這臺(tái)鐘，可不只是“準(zhǔn)”而已。