现代物理学在科技中的应用

现代物理学在航天技术中的应用

我国航天技术持续的不断发展，为我国空间科学的发展以及空间探测奠定坚实的基础。空间的物理学研究将不仅带动我国基础科学研究，而且将引领我国航天技术水平的进一步提高，有效促进空间科学与航天科技水平的协调发展。自上世纪90年代开始，我国利用“神舟”号飞船和返回式卫星，在空间材料和流体物理以及空间技术研究等领域开展了大量实验研究，取得一批重要成果。根据我国空间科学中长期发展规划，将利用返回式卫是进行微重力科学实验，同时探讨进行引力理论验证的专星方案。空间的物理学研究涉及空间基础物理、微重力流体物体、微重力燃烧、空间材料科学和空间生物技术等学科领域。空间基础物理涉及当今物理学的许多前沿的重大基础问题，在科学上极为重要，在我国还是薄弱领域。随着我国经济实力的增长，应该适时地安排引力理论家验证的专星研究。

一、空间引力实验与引力波探测基础物理实验研究

检验现有引力理论的假设和预言、寻找新的相互作用和引力波探测将为认识引力规律和四种相互作用的统一理论提供实验依据。加强空间引力实验和空间天文观测对于我国在空间基础科学领域参与国际竞争和发展高新空间技术具有重要牵引意义。与会专家认为应开展如下研究工作:

1、空间等效原理实验检验(TEPO);

2、空间微米作用程下非牛顿引力实验检验(TISS);

3、激光天文动力学空间计划(ASTROD);

4、空间引力波探测。

二、空间的冷原子物理和原子钟研究

冷原子和玻色爱因斯坦凝聚是当代物理学中最活跃的领域之一，它为探索宏观尺度上物质的量子性质提供了独一无二的介质。该领域的研究可以加深人们对基本物理规律的理解，同时具有重要的应用前景。此外，高准确度的时间频率标准是精密测量和探索研究基本物理问题的关键和基础，在应用技术上均占有是十分重要的地位。微波原子钟与光钟在空间物理有着广泛的应用前景，它不仅可以改进卫星定位导航系统，而且在深空跟踪和星座定位等深空科学上有着不可替代的作用。为了突破地面实验的温度极限和空间尺度，增加测量时间，以便进行更高精度的测量和探索新的物理现象，在微重力环境下进行冷原子物理实验是非常必要的。专家建议开展如下研究工作:

1、空间实验室中的物质波及其相干性研究;

2、微重力条件下用冷原子和玻色爱因斯坦凝聚探索物理极限;

3、空间超高精度微波原子钟;

4、空间高精度光钟。

三、微重力流体物理

微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体物理的研究。在基础研究方面，微重力环境为研究新力学体系内的运动规律提供了极好的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面力驱动的流动，失重条件下的多相流和沸腾传热等。近年来，复杂流体(软物质)的力学和物理学，接触角、接触线和浸润现象等与物理化学密切相关的领域也越来越受到关注。微重力流体物理所涉及的许多过程与微尺度流动中的过程有许多相似性，引起人们的兴趣。以中科院力学所国家微重力实验室为主的流体物理研究在国际上取得了一席之地。专家建议开展简单流体、复杂流体、微重力气液两相流动与传热研究等研究工作。

四、空间材料科学

空间材料科学曾是微重力科学中耗资最大的领域，材料科学各分支领域的学者都希望在空间微重力环境中去研究凝固过程的机理和制备高质量的材科。空间微重力环境是制备、研究多元均匀块体材料的最佳场所，其主要特征就是消除了因重力而产生的沉降、浮力对流和静压力梯度。由于浮力减弱，密度分层效应的消失，可以使不同密度的介质均匀地混合。由于空间微重力环境中静压力梯度几乎趋于零，而能提供更加均匀的热力学状态。这种条件更有利于研究物质的热力学本质和流体力学本质，探索、研制新型的材料和发现材料的新功能。目前空间材料科学研究的重点是利用空间实验的成果改进地面材料制备技术，以及利用空间微重力环境测量高温熔体的输运系数。在国际空间站的欧洲和日本压力舱中，都有材料研究的专柜。由于空间政策的调整，美国的空间材料科学研究计划己基本取消。我国空间材料科学在林兰英先生的倡导和指导下，一批学者积极参与，取得了重要学术成果。

与会专家认为，利用微重力环境进行材料科学研究，不仅可以发展材料科学理论，还可发展新型材料和新型加工工艺。微重力环境可以制备出一些比地面更好的高品质材料，空间材料科学的进展及空间材料制备的技术可以改进空间和地面的材料加工，特别是为地面的晶体生长和铸造技术提供帮助。空间材料科学涉及的领域有金属材料、半导体材料、光学晶体材料、纳米材料和高分子与生物医学材料等。与会专家建议，在加强地基研究和人才队伍建设的基础上，创造条件开展空间材料科学的搭载实验。

五、小结

空间科学是国家科学实力和综合实力的实际体现，深入开展空间科学实验是进行载人航天(含载人空间站)的需要，是我国基础物理、流体物理、燃烧、材料科学以及生物技术等学科发展的需求，是促进人类健康(如生物技术、基础生物学等)与提高人类生活质量的需求。开展空间科学技术研究能够极大地促进地面实验技术的进步，同时促进深空探索的进一步发展。

与会专家认为，伴随着我国空间技术的飞速发展，加强空间学科研究的时机已经成熟。一致认为深入开展空间的物理学研究(包括空间基础物理、微重力流体物体、空间材料科学和空间生物技术等学科领域)应当紧密结合国家科技战略

目标(能源、农业和健康)和载人航天的关键问题(防火等)，促进地面高技术发展(生物工程，新材料等)和基础研究(引力理论，生命科学等)，并为卫星型号任务进行前期研究(全球重力测量的加速度计，高精度时标等)。通过充分论证和地基预研，遴选有重大应用价值和重要科学意义的空间实验项目，使该领域研究持续地发展。

与会专家指出，根据我国载人航天计划和空间科学计划的需求，今后一段时间为发展空间的物理提供极好的机遇。中国学者要抓住机遇在微重力科学和应用上做出重大贡献。在充分讨论的基础上，就我国今后空间的物理学领域的发展，与会专家提出了如下建议:

1. 加强空间的物理学的地面预先研究及其支持强度，发展关键技术;

2. 加强空间基础物理的研究，专门召开以空间引力实验为主题的研讨会;

3. 充分利用暴露平台(如载人飞船工程、返回式卫星搭载)开展相关实验;

4. 建议安排微重力实验火箭进行空间科学实验。