国际空间站
以每小时17500英里的速度围绕地球飞驰,国际空间站(ISS)是有史以来发射上太空的最大的载人物体。每天可以被地球上的大多数地方至少看到一次,这个空间站,有一个足球场那么大,也是唯一一个具有永久微重力科学实验室的空间站。自国际空间站发射以来,超过1500个实验装置被安装在空间站上,其中五分之一的与物理学和天文学直接相关。宇航员在这里拍摄了雷暴的照片,研究了气泡如何在没有重力下结合在一起,并监测了太空中不寻常的火焰形状。在国际空间站进行实验的并不只有宇航员,空间站中进行的大部分实验是由研究人员设计的,封装在冰箱大小的箱子里,并在地球上远程操作。(其中一个例外是阿尔法磁谱仪,它是一种探测暗物质的粒子探测器, 连接在国际空间站的表面上。)以下是国际空间站工作头20年中的五个实验, 你可能听说过, 也可能没有听说过。
尘埃等离子体(Dusty Plasma)包含一个空洞
国际空间站的首个物理实验启动于2000年,是一项关于尘埃等离子体(dusty plasma,一种富含尘埃分子的电离气体)的研究。例如,尘埃等离子体存在于彗尾和土星光环里。但是它们很难在地面实验室上研究。重力的拉扯会导致粒子在几毫秒内落到地板上。在地球上,研究人员将用强电场将尘埃固定,但这项技术会引入人工杂质。在国际空间站,重力只是地球表面重力的百万分之一,因此尘埃可以不受干预而悬浮。
国际空间站上的第一个等离子体实验旨在创造尘埃等离子体晶体。德国航天航空中心(German Aerospace Center)的Hubertus Thomas说,这些结构可能会在高密度的、均匀的尘埃等离子体间产生。他在国际空间站的等离子体实验开始之初就涉及其中。实验成功了,尘埃中产生了许多种排列整齐的等离子体,但他们同时也感到惊讶。他们的等离子体中间形成了意料之外的一个无颗粒的空洞,这使理论学家感到困惑。研究人员将空洞形成的原因归结于“离子阻力”(“ion drag”):一个正电势在等离子体中间形成,从而建立了一个向外流动的电流,其强大到可以带走其中的尘埃颗粒。
流体在湿润的管道中速度更快
在太空中控制液体流动是很棘手的,液体流动会给航天器上的设备带来性能问题。例如在燃料箱中,推进剂液滴可能会在容器内反弹,并干扰燃料传输过程。俄勒冈州波特兰州立大学(Portland State University in Oregon)的Mark Weislogel说:“没有设备在太空中是永久有效的。” 他补充说, 美国宇航局不断将厕所、冰箱等设备的新部件运到太空, 这样以保持它们正常工作。
Weislogel主要研究零重力下液体的流动。他设计和测试了具有三角形和其他多边形的横截面的锥形导管,利用表面张力和湿润效应(Wetting effects)来引导液体沿某些路径流动。在2004年启动的一系列的实验中,他和其他人通过监测液体如何流过这些不同的管道,发现了一些奇怪的现象。例如,预湿管道可以“彻底的”改变它运输液体的方式,Weislogel说,结果是液体能沿着多边形管道的一个管壁流动切换到到另一个管壁上,而且液体流速可以增加和减小。了解了这些行为,工程师能设计出更好的尿液处理设备,热交换器,甚至咖啡杯。weislogel 说:“如果我们要把人类送上火星,这些设备必须完美工作。”
“太空蚂蚁”是可怜的探索者
人类并不是唯一一种绕地球飞行的生物。果蝇,斑马鱼,蚂蚁都曾登上过国际空间站。2014年,加州斯坦福大学的Deborah Gordon和他的同事向太空发射了8个蚂蚁栖息地,每个栖息地里包含大约80只路面蚂蚁,来探究这种六足小动物的集体探索行为在微重力的条件下是否发生了变化。这项研究有望能帮助科学家设计和操控未来在相似环境下协同工作的太空机器人。
这些蚂蚁最初被安置在一个塑料盒子的小角落里。几分钟后,盒子里的屏障被移除,给蚂蚁更多的探索空间。地球上也同时进行这个实验。进入新的领地后,,地球上的蚂蚁调整了他们的探索路径,从螺旋到直线,并在五分钟内对整个盒子进行了探索。然而,太空蚂蚁则保持了曲线轨迹,并在同一时间里探索的栖息地更少。在2014年的TED的演讲中,Gordon解释了其中的原因。昆虫通过监控同类之间的相互作用频率来确定种群密度,蚂蚁正是采取这种适应群体密度的探索策略。在微重力环境下,Gordon说,这些蚂蚁已经“尽全力保持和同类待在一起”以至于种群密度和会面的频率之间的关系改变了,因此转变了蚂蚁的搜索模式。
国际空间站上的胶体
对胶体(悬浮在液体里的微小颗粒)的研究在国际空间站上很受欢迎,到现在已经进行了30多项实验。许多家用产品都是胶体,包括涂料,面霜,洗发水。这些产品里的颗粒通常都是纳米大小的,这使它们具有浮力,难以成像。所以,研究人员转而研究含有较大的微米级别粒子的模型系统。美国个人护理公司宝洁(proctor & gamble )的Matthew Lynch说: "但对于较大的粒子来说, 重力成为一种需要解决的力,而国际空间站能把重力的影响排除在外。”
Lynch帮助设计了国际空间站的第一个启动于2012年的胶体实验。实验研究在悬浮液中的两种不同大小的颗粒。通过给胶体拍照,Lynch和他的同事确认了颗粒形成稳定的连接结构的条件和与之相反的情形。譬如,这些信息将帮助公司研发保质期更长的面霜。最初的图像只记录了结构的二维投影, 但三维信息将由国际空间站上的新型共聚焦显微镜提供。Lynch说, 新的成像技术可能提供了 "一种完全不同水平的能力"
持续数秒的量子气体
发射于五月的冷原子实验室(CAL),是一种玻色-爱因斯坦凝聚态制造机器(Bose-Einstein-condensate-creating machine),是国际空间站安装的最新的物理设备。位于加利福尼亚的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)和CAL项目的科学家Robert Thompson说,他和其他人在1995年首次讨论在宇宙中创造玻色-爱因斯坦凝聚态时,正值物理学家首次在地球上产出玻色-爱因斯坦凝聚态不久。他们希望这样做可以将冷量子气体的寿命从毫秒延长到大约10秒。
Thompson 说: “最初它是个疯狂的主意。” 制造玻色-爱因斯坦凝聚态通常需要一整间屋子的设备,包括特殊的光纤和束缚磁场。这些设备需要亲手操作,所以把一切都装进一个冷柜中,并远程进行实验,似乎是个吓人的任务。由于几项科技进步使这一切都成为了可能。比如,为了代替通常需要产生束缚磁场的粗螺线圈,CLA采用了由几根微小的电线组成的紧凑硅芯片。Thompson回忆到,设计和建造安装是一项艰巨但值得的任务。Thompson说,CLA依然处于测试模式,但是系统正在生产并分析到持续数秒的亚纳米开尔文温度(sub-nanokelvin)下的玻色-爱因斯坦凝聚态。他将在太空站里进行的玻色-爱因斯坦凝聚态实验形容为 “梦想成真”。
作者:Katherine Wright
翻译:王麟涛