“不明觉厉”，天宫二号上的实验

王煜

太空中与地面显著不同的环境条件，使得人类一旦将飞行器发射上天，总要想方设法携带一些仪器、材料进行科学实验。我国的天宫二号也不例外，并且，它要开展的各类实验达到了史无前例的14项，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等多个领域，其中两项由航天员直接参与操作，还有一项国际合作。这让它成为我国史上实验任务最多的太空飞行器。

这些实验包括哪些内容，能对我们的生活产生什么影响？一起来看看其中的几个代表吧。

“小蜜蜂”探寻伽玛暴

首先登场的是“小蜜蜂”，这也是此次天宫二号空间实验室上唯一的一项国际合作实验项目。

它的大名叫“天极”（POLAR），全称“伽玛暴偏振探测仪”。科学家们之所以给它取了这个昵称，是因为这个仪器是由1600根塑料闪烁棒组成一个阵列，犹如1600个小眼组成一只蜜蜂的复眼。从全名可知，这只“复眼”不是用来看一般的东西，而是用来探测宇宙中最闪耀的爆炸——伽玛暴。

宇航员王亚平在天宫一号内，为地球上的观众们表演了一回太空中的小实验。

伽玛射线是能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。伽玛射线暴（简称伽玛暴）是来自宇宙空间的伽玛射线短时间突然增强的现象。虽然伽玛暴的持续时间长者只有数百秒，短者更是不足数十毫秒，但释放的能量几乎抢了整个宇宙的风头，瞬时亮度甚至有可能胜过全宇宙其他天体的总和。

1997年12月14日发生一次伽玛暴，距离地球远达120亿光年，在50秒内所释放出的伽玛射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。这次伽玛暴持续时间在一两秒内，其亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮。因此，人们把这样壮丽的景象，称为恒星最后的“生命之花”。

但这样的“生命之花”对真正的生命却会带来毁灭：伽马射线对生物有极强的杀伤力。伽玛暴在宇宙中随时随地可能发生，对我们的影响有多大，取决于伽玛暴的距离。如果发生在100光年内，且正好对准地球，事情就糟糕了。有人认为，伽玛暴可能是导致地球4.5亿年前的奥陶纪大灭绝事件（第一次生物大灭绝）的原因之一，在那次事件中，85%的海洋生物灭绝。伽玛暴也可能是人类还未发现外星生命的一个原因，这些外星生命或许已经被意外的伽玛暴毁灭了。

如果距离远一些，达到几千上万光年以上，这样的伽玛暴不会对地面的生物造成什么影响，因为伽马射线会被地球的大气层吸收，这也是“小蜜蜂”要飞到太空中才能更好探测伽玛暴的原因。但麻烦还是有的：就如同一颗超级电磁脉冲炸弹爆炸，大气层之上的卫星、飞船，地面上的电网可能全部瘫痪，损失也不小。

从1973年公布发现伽玛暴以来，关于它的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。

目前伽玛暴的成因还没有定论，比较公认的是与宇宙中接近光速的喷流现象有关。一些观点认为这种喷流是在大质量恒星死亡的过程中产生的，也有人猜测是两个致密天体如中子星的合并产生的。这两种过程一般都伴随着黑洞的产生。

2015年9月14日，人类首次观测到了引力波，这是由两个恒星级黑洞并合而产生的。就在其发生0.4秒之后，美国费米伽玛射线望远镜观测到了一起暗弱的伽玛暴事件，持续大约1秒钟。尽管两者可能为巧合，但这一伽玛暴事件看起来很可能就是由那两个黑洞并合而触发的。伽玛暴和引力波之间有什么关系，也成为科学界探究的话题。

“我现在很激动，我们希望能够第一次精确探测到伽玛暴偏振信息，希望通过这个仪器能够把伽玛暴产生的过程看得更清楚。我们另外一个重要任务就是研究引力波产生的时候，是否有伽玛暴。这样我们就可以知道产生引力波的事件究竟是怎么回事。这个研究是很有趣的。”中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、天宫二号伽玛暴偏振探测仪首席科学家张双南说。

严格来说，目前世界上还没有对伽玛暴偏振的有效测量结果。而“小蜜蜂”对伽玛暴偏振的测量能力比国际上其他现有仪器强10倍以上，这样的仪器是人类历史上开创性的，由中法两国合作研制。

“小蜜蜂”的外观像一盒方形蛋糕，重约30公斤，它的偏振探测器部分安装于天宫二号的舱外，指向太空，可以有效地捕捉到伽玛暴过程中产生的伽玛光子。在两年的运行期里，它预计可以探测到大约100个伽玛暴。

“炼丹炉”与“液体桥”

和太上老君的兜率宫里一样，在天宫二号上，也有一个“炼丹炉”，不过里面炼造的既不是长生仙丹也不是齐天大圣，而是各种新型材料。

“炼丹炉”正式名称是综合材料实验装置，呈圆柱形，内部结构像一把左轮手枪。“枪管”是炉膛，是工程人员历经三年多的攻关研制而成的，最大功耗仅有200瓦，却能在真空环境下把材料加热到950摄氏度的高温，空间材料的制备和处理就是在其中完成的，控制炉膛的温度，可实现材料的熔化和凝固。左轮手枪的“弹夹”是“样品管理舱”，也就是放置待处理的材料样品的地方，材料样品的装在“试管”里，看上去也真的很像加长版的“子弹”。

NASA模拟火星生活。

“弹夹”的容量为6发，而科学家计划要进行18个样品的空间实验，那么“上子弹”的工作就要交给后续造访这里的航天员了。航天员进行材料实验炉的开盖换样品操作，将是中国航天员首次在轨操作的空间材料科学实验。航天员将两次开盖换样品，之后将这些完成实验的样品带回地面，供科学家分析研究。第三批次的6个样品将留轨进行装置热特性测量的实验，数据传回地面进行分析研究。

天宫二号上将开展包括半导体光电子晶体材料、纳米复合和新型金属基复合材料等在内的12项材料的生长与制备，所有实验均为国际首次。这些材料包括多晶碲化锌、介孔基纳米复合材料、多组元复相合金……这些名字听起来十分生涩专业，而它们的作用都是很关键的，有的将帮助我们制造更高效且灵敏的外太空探测器，有的是更加完美的光通信材料，有的可用于制造更轻、更小、运行速度更快的电子设备。

科学家们之所以要做样的“炼丹”实验，是因为在太空的微重力环境下，很多材料的形成过程会发生改变，从而导致最终材料的性能变化，他们希望能生产出在地球上难以制造出来的高性能材料或独特的材料。

在天宫二号上要做的另一个听起来相当令人费解的实验，目的也是为了能生产出更优质的材料，它叫“液桥热毛细对流实验”。

“液桥”是什么东西呢？它是连接着两个固体表面之间的一段液体。其实大家对它并不陌生，比如你在洗手的时候，把两根手指并拢再打开一点点距离，这时连接两个手指之间的小水柱就是液桥。

液桥的作用可不小。比如干沙粒只会在指缝间流失，而倒进水之后，你就可以用沙子搭建城堡，是因为水在沙粒之间形成了液桥，使得散沙能够凝聚成团;再比如毛笔蘸了墨水后能形成笔锋，也是因为墨水在笔毫间形成了液桥。

气液界面之间存在着表面张力，使得液体表面好比有一层很薄的弹性薄膜。正是这样一层“虚拟”的薄膜，使得液桥的表面形貌得以维持，而不会垮塌。由于表面张力很弱，所以在地球上正常重力环境下形成的液桥直径通常只有几毫米，再大就撑不住了。

而到了太空的微重力环境下，液体表面张力的作用大了许多，大尺寸的液桥就能搭起来了。目前，国际空间站上已经做出了直径50毫米的液桥。

而在天宫二号上，搭建液桥使用的液体是一种低黏度硅油，这是很多化妆品中的成分。实验设计这座液桥的直径是20毫米，桥的“跨度”范围是3至20毫米。如果是在地球上，这样的液桥“跨度”只能做到4毫米。科学家要尝试在太空里做出130多种液桥，它们的尺寸形状各不相同。

除了尺寸更大，太空中的液桥还有独特的效应。当一端热一端冷的时候，在液体表面张力的作用下，液桥就会产生热毛细流动。但在地球上时，由于浮力效应的掩盖，热毛细效应一度被忽视。科学家们曾经以为，只要没有重力，浮力对流就会消失，那么，在太空中将是理想的无对流环境。如果在这种环境中制造高纯度晶体，将会得到高纯度的单晶。

但事与愿违，因为浮力对流虽然因为微重力而消失了，但热毛细对流开始起作用了，晶体还是有条纹。更不可思议的是，当温差超过临界条件时，这种热毛细流动还会进入一种振荡流的状态，可以表现为温度的振荡。在晶体生长的过程中忽冷忽热，不出现条纹才怪。

而也正是通过太空和地面的对比实验，科学家才知道，即使在地面，热毛细流动也会导致条纹缺陷，只是之前没被人们发现而已。

因此，液桥成为“太空微重力流体力学研究”的一个重要课题，就是为了看清热毛细对流现象的“真面目”，服务于实际工业生产。该项目主任设计师、中国科学院力学研究所研究员康琦说：“研究热毛细对流问题对于在实际工业生产中提高结晶晶体的质量具有重要意义。比如我们想生产出高质量的半导体材料，就要科学控制浮力对流和热毛细对流对单晶硅在晶体生长过程的影响。”

种棵菜，对个时

《新民周刊》记者曾于2011年西安世园会时参观过当地的“太空植物博览园”，这些经过太空育种的植物，回到地面生长后都有惊人的变异，例如“番茄长成树”“南瓜一米粗”。而在天宫二号上要做的植物实验，是要把从种子到种子的完整过程都在太空中实现，这显然是为了解决将来人类太空生活的吃饭问题。

太空微重力条件下，植物发生的最明显的变化就失去了向重力性反应。比如，在地球重力条件下，水稻、小麦的地上部分都直立向上生长，而在空间微重力条件下则表现为无一定方向性，这可能影响到植物的光合作用，导致产量大大减少。

针对粮食和蔬菜的空间种植，天宫二号选择了水稻和拟南芥为研究对象。水稻不用多说，是典型的粮食作物。而拟南芥与油菜、萝卜、卷心菜等同为十字花科植物，它本是一种无名小草，既不好吃也不好看，对人类毫无经济价值，但它的植株较小（一个8cm见方的培养钵可种植4-10株）、生长周期短（从发芽到开花约4-6周）、结实多（每株植物可产生数千粒种子）。这些特点使得拟南芥的突变表型易于观察，为突变体筛选提供了便利;它是典型的自交繁殖植物，易于保持遗传稳定性;同时，可以方便地进行人工杂交，利于遗传研究。

科学家们希望通过太空实验，来研究微重力条件下高等植物从种子到种子的生长发育规律，探索微重力条件下植物的光周期诱导开花规律与调控机理。而植物生长的主要实验参数都可以通过地面发给培养箱的遥控指令来调节，比如控制光照周期、温度、湿度、营养液供给等。

实验中，如果种子正常发芽，将长出6棵水稻和约30棵拟南芥，其中有3至6棵拟南芥将在结出种子后，被航天员带回地球。拟南芥的实验持续两个月左右，而水稻的实验持续三四个月至半年。为期半年的长周期空间密闭培养植物，在中国还是第一次。

在“种菜”的间隙，航天员也许想看个时间，而天宫二号上就搭载了一台可能是目前人类最准的钟，3000万年到3亿年才误差1秒。这就是人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟。

这台原子钟为什么那么准？因为它很“高冷”：它在太空中，位置“高”，微重力环境下，原子团做超慢速匀速直线运动，基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息，从而获得更高精度的原子钟信号。用激光冷却技术将原子温度从室温降低到接近绝对零度，够“冷”了之后，这些原子就几乎不动了，再进行测量，结果会更加准确。

超级准的钟能做什么？

以往，卫星、飞船等太空飞行器与地面高精度的时间基准信号进行同步时，会受到空间轨道与地球表面之间的大气和电离层的干扰，出现各种误差和不稳定。有了空间冷原子钟的在轨运行，就可以在太空中建立超高精度的时间频率基准，对其他卫星上的原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，使得卫星导航系统更加精确和稳定。

而目前的卫星导航系统只能用于近地范围，未来有没有可能实现太阳系行星间甚至更大尺度上的定位呢？可以的。若是能在空间合适的位置放置冷原子钟，就可以实现这种大尺度高精度导航。

此外，用空间冷原子钟，还能探测暗物质、测量引力红移;用空间冷原子干涉仪还能探测引力波。这台钟，可不只是“准”而已。