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、材料進行科學(xué)實驗。我國的天宮二號也不例外，并且，它要開展的各類實驗達到了史無前例的14項，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等多個領(lǐng)域，其中兩項由航天員直接參與操作，還有一項國際合作。這讓它成為我國史上實驗任務(wù)最多的太空飛行器。

這些實驗包括哪些內(nèi)容，能對我們的生活產(chǎn)生什么影響？一起來看看其中的幾個代表吧。

“小蜜蜂”探尋伽瑪暴

首先登場的是“小蜜蜂”，這也是此次天宮二號空間實驗室上唯一的一項國際合作實驗項目。

它的大名叫“天極”（POLAR），全稱“伽瑪暴偏振探測儀”。科學(xué)家們之所以給它取了這個昵稱，是因為這個儀器是由1600根塑料閃爍棒組成一個陣列，猶如1600個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，而是用來探測宇宙中最閃耀的爆炸——伽瑪暴。

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

伽瑪射線是能量最強的電磁波，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間突然增強的現(xiàn)象。雖然伽瑪暴的持續(xù)時間長者只有數(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宇宙的風(fēng)頭，瞬時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，距離地球遠達120億光年，在50秒內(nèi)所釋放出的伽瑪射線能量就相當(dāng)于整個銀河系200年的總輻射能量。這次伽瑪暴持續(xù)時間在一兩秒內(nèi)，其亮度與除它以外的整個宇宙一樣明亮。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”對真正的生命卻會帶來毀滅：伽馬射線對生物有極強的殺傷力。伽瑪暴在宇宙中隨時隨地可能發(fā)生，對我們的影響有多大，取決于伽瑪暴的距離。如果發(fā)生在100光年內(nèi)，且正好對準(zhǔn)地球，事情就糟糕了。有人認為，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。

如果距離遠一些，達到幾千上萬光年以上，這樣的伽瑪暴不會對地面的生物造成什么影響，因為伽馬射線會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伽瑪暴的原因。但麻煩還是有的：就如同一顆超級電磁脈沖炸彈爆炸，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，比較公認的是與宇宙中接近光速的噴流現(xiàn)象有關(guān)。一些觀點認為這種噴流是在大質(zhì)量恒星死亡的過程中產(chǎn)生的，也有人猜測是兩個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，人類首次觀測到了引力波，這是由兩個恒星級黑洞并合而產(chǎn)生的。就在其發(fā)生0.4秒之后，美國費米伽瑪射線望遠鏡觀測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，我們希望能夠第一次精確探測到伽瑪暴偏振信息，希望通過這個儀器能夠把伽瑪暴產(chǎn)生的過程看得更清楚。我們另外一個重要任務(wù)就是研究引力波產(chǎn)生的時候，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。這個研究是很有趣的。”中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室主任、天宮二號伽瑪暴偏振探測儀首席科學(xué)家張雙南說。

嚴格來說，目前世界上還沒有對伽瑪暴偏振的有效測量結(jié)果。而“小蜜蜂”對伽瑪暴偏振的測量能力比國際上其他現(xiàn)有儀器強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，它的偏振探測器部分安裝于天宮二號的艙外，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。在兩年的運行期里，它預(yù)計可以探測到大約100個伽瑪暴。

“煉丹爐”與“液體橋”

和太上老君的兜率宮里一樣，在天宮二號上，也有一個“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驗裝置，呈圓柱形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)像一把左輪手槍。“槍管”是爐膛，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)家計劃要進行18個樣品的空間實驗，那么“上子彈”的工作就要交給后續(xù)造訪這里的航天員了。航天員進行材料實驗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)實驗。航天員將兩次開蓋換樣品，之后將這些完成實驗的樣品帶回地面，供科學(xué)家分析研究。第三批次的6個樣品將留軌進行裝置熱特性測量的實驗，數(shù)據(jù)傳回地面進行分析研究。

天宮二號上將開展包括半導(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項材料的生長與制備，所有實驗均為國際首次。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”實驗，是因為在太空的微重力環(huán)境下，很多材料的形成過程會發(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特的材料。

在天宮二號上要做的另一個聽起來相當(dāng)令人費解的實驗，目的也是為了能生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的材料，它叫“液橋熱毛細對流實驗”。

“液橋”是什么東西呢？它是連接著兩個固體表面之間的一段液體。其實大家對它并不陌生，比如你在洗手的時候，把兩根手指并攏再打開一點點距離，這時連接兩個手指之間的小水柱就是液橋。

液橋的作用可不小。比如干沙粒只會在指縫間流失，而倒進水之后，你就可以用沙子搭建城堡，是因為水在沙粒之間形成了液橋，使得散沙能夠凝聚成團;再比如毛筆蘸了墨水后能形成筆鋒，也是因為墨水在筆毫間形成了液橋。

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。實驗設(shè)計這座液橋的直徑是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。科學(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特的效應(yīng)。當(dāng)一端熱一端冷的時候，在液體表面張力的作用下，液橋就會產(chǎn)生熱毛細流動。但在地球上時，由于浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細效應(yīng)一度被忽視?？茖W(xué)家們曾經(jīng)以為，只要沒有重力，浮力對流就會消失，那么，在太空中將是理想的無對流環(huán)境。如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會得到高純度的單晶。

但事與愿違，因為浮力對流雖然因為微重力而消失了，但熱毛細對流開始起作用了，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，這種熱毛細流動還會進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比實驗，科學(xué)家才知道，即使在地面，熱毛細流動也會導(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”的一個重要課題，就是為了看清熱毛細對流現(xiàn)象的“真面目”，服務(wù)于實際工業(yè)生產(chǎn)。該項目主任設(shè)計師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員康琦說：“研究熱毛細對流問題對于在實際工業(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)控制浮力對流和熱毛細對流對單晶硅在晶體生長過程的影響?！?/p>

種棵菜，對個時

《新民周刊》記者曾于2011年西安世園會時參觀過當(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”。而在天宮二號上要做的植物實驗，是要把從種子到種子的完整過程都在太空中實現(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。

針對糧食和蔬菜的空間種植，天宮二號選擇了水稻和擬南芥為研究對象。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，對人類毫無經(jīng)濟價值，但它的植株較小（一個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)實多（每株植物可產(chǎn)生數(shù)千粒種子）。這些特點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，可以方便地進行人工雜交，利于遺傳研究。

科學(xué)家們希望通過太空實驗，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)控機理。而植物生長的主要實驗參數(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。

實驗中，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。擬南芥的實驗持續(xù)兩個月左右，而水稻的實驗持續(xù)三四個月至半年。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，航天員也許想看個時間，而天宮二號上就搭載了一臺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在軌進行科學(xué)試驗的空間冷原子鐘。

這臺原子鐘為什么那么準(zhǔn)？因為它很“高冷”：它在太空中，位置“高”，微重力環(huán)境下，原子團做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細測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。用激光冷卻技術(shù)將原子溫度從室溫降低到接近絕對零度，夠“冷”了之后，這些原子就幾乎不動了，再進行測量，結(jié)果會更加準(zhǔn)確。

超級準(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間基準(zhǔn)信號進行同步時，會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行，就可以在太空中建立超高精度的時間頻率基準(zhǔn)，對其他衛(wèi)星上的原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準(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，還能探測暗物質(zhì)、測量引力紅移;用空間冷原子干涉儀還能探測引力波。這臺鐘，可不只是“準(zhǔn)”而已。