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  • 从量子凝聚到生命奇迹的微重力实验

    来源： 中国科学技术馆
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    　　在深邃的太空环境中，中国科学家们正在开展着一系列令人惊叹的微重力条件下的物理实验。这些实验涵盖了流体物理、燃烧物理、基础物理等多个领域，就像一场场奇妙的科学冒险，不断为我们揭示着宇宙中的秘密。
    　　什么是微重力环境？
    　　微重力，从字面意思理解，就是重力极其微小的环境。在地球上，我们时刻都能感受到重力的存在，它让物体稳稳地落在地面上。然而，当我们远离地球表面，到达一定高度的太空时，情况就大不一样了。比如在中国空间站所处的轨道高度，物体所受的重力加速度已经非常小，几乎可以忽略不计，这就形成了微重力环境。在这种环境下，物体仿佛挣脱了重力的“枷锁”，展现出许多令人惊叹的特性。
    梦天实验舱
    　　在空间站微重力环境里，流体的行为变得十分奇特。由于缺少了重力的主导作用，流体的流动不再像在地球上那样“循规蹈矩”。比如，液体不会自然地往低处流，而是会在表面张力等其他因素的驱动下，形成各种奇妙的形状和流动模式。我们常见的水滴，在地球上受重力影响呈下垂状，而在微重力下，它可能会近乎完美地呈球形悬浮在空中，这是因为表面张力在没有重力干扰的情况下，将液体分子向内拉扯，使其表面积尽可能缩小，达到最稳定的球形状态。
    微重力环境下水球变“懒”实验
    　　我国科学家通过在空间站开展微重力流体物理实验，取得了一项了不起的技术突破——获得贮箱流体全管理和半管理结构中表面张力驱动流动的完整特征。这意味着什么呢？简单来说，航天器中的贮箱就好比人体的“油箱”，用于储存燃料等液体。在微重力环境下，如何确保液体在贮箱中稳定、高效地储存、传输和分配是个大难题。而这项研究成果，为我国航天器板式贮箱广泛应用提供了科学与技术支撑。科学家们通过详细了解表面张力在贮箱内流体流动中的作用规律，能够设计出更优化的贮箱结构，使得液体在太空飞行过程中不会出现诸如液体残留、分布不均等问题，保障航天器的正常运行。
    微重力环境下的液桥实验
    　　这些流体物理实验的成果，对未来航天器的发展有着深远影响。改进后的液体管理系统，能让航天器在执行长期任务时，更精准地控制燃料消耗，提高航天器的机动性和任务成功率。
    　　微重力下的基础物理实验
    　　在基础物理实验领域，中国空间站同样取得了震撼世界的成果——在轨利用全光阱实现玻色爱因斯坦凝聚态（BEC）制备。这可是量子物理研究中的一座“圣杯”。玻色爱因斯坦凝聚态是一种非常奇特的物质状态，当物质被冷却到极低温度（接近绝对零度，约为-273.15°C）时，原本各自独立的原子会“凝聚”在一起，表现出宏观量子特性，仿佛它们变成了一个“超级原子”。在地球上，由于重力、环境热噪声等诸多因素干扰，制备BEC面临重重困难。而空间站的微重力环境为科学家们提供了近乎理想的实验条件，让他们能够更顺利地实现这一突破。
    全球首颗量子卫星“墨子号”
    　　这一成果为量子物理研究搭建了全新的实验平台，其意义深远。首先，对于量子通信来说，BEC可以作为一种特殊的量子光源，用于生成高纯度、高相干性的量子比特，提升量子通信的安全性和传输效率。就好比为量子通信打造了一把更坚固、更精准的“加密锁”，让信息传输更加安全可靠。其次，在量子计算领域，基于BEC的量子比特操控技术有望推动量子计算机的性能大幅提升。量子计算机的强大算力可以在瞬间解决传统计算机需要耗费大量时间才能完成的复杂问题，如大规模数据加密解密、药物分子模拟设计等，为人类社会带来翻天覆地的变革。
    　　微重力下的生命科学实验——人胚胎干细胞分化
    　　国际上首次实现空间站人胚胎干细胞分化为造血干/前体细胞，这无疑是生命科学领域的一颗重磅炸弹。人胚胎干细胞具有无限分化的潜能，理论上可以分化成人体任何类型的细胞。在地球上，由于重力等因素影响，这种分化过程往往受到一定限制。而空间站的微重力环境，为干细胞分化研究开辟了一条新路径。科学家们通过精心设计实验，让干细胞在太空微重力环境下展现出独特的分化特性，成功分化为造血干/前体细胞，这对于未来的医学治疗有着巨大的潜在价值。
    航天员在空间站进行细胞实验
    　　造血干/前体细胞是人体造血系统的“种子细胞”，能够发育成各种血细胞，用于治疗多种血液疾病，如白血病、再生障碍性贫血等。目前，这些疾病的治疗往往依赖于骨髓移植等手段，但骨髓来源有限，配型困难。而空间站微重力环境下诱导分化出的造血干/前体细胞，有望为这些疾病的治疗提供新的、更丰富的细胞来源。此外，这一研究成果还可能启发科学家们进一步探索微重力环境对其他类型干细胞分化的影响，为组织工程、再生医学等前沿领域带来更多突破，或许在不久的将来，人类能够利用太空微重力环境，制造出用于器官移植的人造器官，拯救无数生命。
    　　中国空间站的微重力实验，正在编织一张连接现在与未来、地球与宇宙、科学与生活的巨网，随着研究的不断深入，这张网将愈发紧密、广阔，为人类文明的进步带来源源不断的动力。
    　　流体物理与基础物理的光明前路
    　　微重力环境下的流体物理研究犹如一座亟待深挖的宝藏，持续探索进而开发出更为先进的液体管理系统与设备，对于航空航天领域中诸多场景的意义非凡，可以想象，未来的深空探测任务中，航天器可根据不同阶段的需求，灵活地调配燃料，就像一位经验丰富的赛车手，精准把控每一滴“燃油”，驰骋在浩瀚宇宙中。不仅如此，在空间站的日常运行中，诸如生命保障系统中的水管理、冷却液循环等涉及液体的环节，也能因流体物理研究成果而得到优化，为航天员提供更稳定、舒适的生活和工作环境。而基础物理领域更是一片充满无限可能的新大陆，将持续探索新的量子物理现象，从多体量子纠缠到拓扑量子态，每一个新发现都可能改写物理学教科书。同时，积极开发新的量子技术应用，除了量子通信和量子计算，量子传感技术有望大放异彩。在深空探测中，利用量子传感器超高的灵敏度，可以精准探测微弱的引力波、磁场变化，帮助我们揭开宇宙起源、黑洞演化等神秘面纱，让人类对宇宙的认知迈向新高度。
    　　部分信息来源于：央视新闻、今日环球、中国新闻网、中国网、
    　　环球时报、科技日报等
    　　（科学性审核：李良，中国空间学会科普与教育委员会委员）
    本文来自： 中国科学技术馆

    责任编辑：刘海华

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