“天宫二号”上那些太空实验,或许让科幻走进现实

头条推送科普中国头条创作与推送项目头条创作与推送2016-09-22 14:17
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中国首个真正意义上的空间实验室“天宫二号”已经发射升空。在我们头顶近400公里高的这个太空实验室里,将开展十多项科学实验和观测。能够拿到登上“天宫二号”“船票”的实验,无疑都属于当今世界最前沿的探索领域。

代表中科院牵头负责载人航天工程空间应用系统的中科院空间应用工程与技术中心介绍,“天宫二号”上要进行的各类实验是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。内容涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。

三个空间科学物理领域重点项目

据介绍,“天宫二号”三个空间科学物理领域重点项目是:空间冷原子钟实验、空地量子密钥分配试验、伽玛暴偏振探测。这三个项目均属国际科学前沿,科学意义重大。

空间冷原子钟将成为国际上第一台空间运行的冷原子钟,可以使飞行器自主守时精度提高两个量级,在国防安全、高精度星钟等方面具有广泛的应用价值。

这只钟没有钟摆,也没有秒针走路的滴答声,是一只“长相”完全不符合人们对钟的预期的黑色圆柱体。它对时间的测量基于原子物理,而又跟大部分的原子钟不同,这只钟应用的是更为先进的冷原子物理技术。

“天宫二号”上那些太空实验,或许让科幻走进现实

关于空间冷原子钟的想象图

据上海光机所中科院量子光学重点实验室主任刘亮介绍,如果说机械表1天差不多有1秒误差,石英表10天大概有1秒误差,氢原子钟数百万年有1秒误差,那么冷原子钟则可以做到三千万年到三亿年误差1秒。

据科学家介绍,冷原子技术的发展使许多实验的精度大幅度地提高,使原来不可能进行的实验成为可能。例如,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的定位呢?若是能在空间合适的位置放置高精度原子钟,就可以实现大尺度的高精度导航。

刘亮认为,最合适的位置是太阳系中的各个拉格朗日点,因为这里是引力平衡点。若在这些点上各放置一台高精度原子钟,则至少可以在太阳系较大范围内实现准确定位。这一旦实现,就可以进行大尺度时空研究,例如可以验证广义相对论在大尺度情况下是否成立等。

刘亮介绍,利用空间冷原子钟还可以测量引力红移,探测引力波以及暗物质等。“实际上,很多研究都是基于我们对于时空的测量。只要能探测到时空的变化,我们就能测出目前的方法感觉不到的东西。”他说。

由中国科学技术大学和中科院上海技物所共同研制的量子秘钥将实现“天机不可泄露”。空地量子密钥分配试验将开展天-地超远距离量子密钥传输,以及业务数据天地激光通信,将为未来建立不可破译的信息安全系统,在国际上率先建立实用化的保密通信网络奠定基础。

“天宫二号”上那些太空实验,或许让科幻走进现实

在地面光纤网络建设上,世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成,这将大幅提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。

为了更远距离的量子保密通信,我们除了继续建设地面光纤网络以外,还需要借助天上的多个飞行器,实现覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。

天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标,通过天上发射一个个单光子并在地面接收,生成“天机不可泄露”的量子密钥。

天宫二号的轨道飞行高度大约为400多公里,飞行速度约每秒钟8公里,地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上。这精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上,把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里,难度可想而知。

如果把光子比作硬币,那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。量子密钥的安全性就来自这些偏转角度。BB84协议就好比一共选取 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度,并且都对应好二进制编码。密钥分配时,发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。

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BB84量子密钥分配协议

扔一个硬币,双方就通过电话对比一下选的洞,留下洞一样时扔的硬币结果,就生成了二进制量子密钥。如果中间有人窃听,窃听者只能随机的选择“+”和“×”两种洞。测过硬币角度后,如果他不想被发现,需要把硬币再扔给接收方。但是这个硬币已经被他测过了,会有一半的概率改变了角度。

此时,接收方再测,最后就会发现硬币的测量结果和发送方有1/4的概率不同,就可以马上知道有窃听者的存在了。于是,发送方和接收方停止密钥分发,换个地方重新来,直到确认没有窃听为止。

因此,只要是成功分配的量子密钥,就一定是没有被窃听过的安全密钥,即“天知地知你知我知”的密钥,从而成功做到无法泄漏的天机。

伽玛暴偏振探测为揭示伽玛暴本质、宇宙结构、起源和演化等天体物理研究前沿热点取得突破开辟新的途径,有望获得新的发现。

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“天极”伽玛暴偏振探测仪

由中科院高能物理研究所研制的伽玛暴探测器,专门用于测量伽玛暴偏振。

什么是伽玛暴?伽玛暴的全称是宇宙伽玛射线暴。有些恒星在一生辉煌即将结束之际将发生剧烈爆炸,整个恒星解体,星体中心的物质将压缩形成黑洞,疯狂地吞噬周围物质。然而,有部分物质会以近乎光速喷发而出,形成“烟花”,“烟花”内就会产生极其强烈的伽玛射线辐射,辐射能量与太阳一生(百亿年)辐射的总能量相当。

4.4亿年前的奥陶纪,地球上发生第一次生物大灭绝,致使85%的海洋生物灭绝,人们怀疑伽玛暴就是凶手之一。此外,人们猜测6500万年前恐龙灭绝也可能与伽玛暴有关。

据科学家预测,昵称为“小蜜蜂”的“天极”伽玛暴偏振探测仪(POLAR)(以下简称“天极”望远镜),运行两年可以探测到大约100个伽玛暴。通过系统地测量伽玛暴的偏振,能够从观测上对伽玛暴的辐射机制等物理模型加以限制或约束,为更好的理解宇宙中极端天体物理环境下的、最剧烈的爆发现象产生的机制做出重要的贡献。至今,科学家努力了40多年仍未完全成功探测伽马暴的偏振,可见“小蜜蜂”的任务之重。

由于伽玛暴是不可预测、随机发生的天文事件,为了最大限度地捕捉伽玛暴,“小蜜蜂”将在允许的情况下尽量多地开机运行。

未来几年,“小蜜蜂”还将监测搜索引力波暴对应的伽玛暴。

引力波暴又是什么?如果将伽玛暴比作宇宙中的闪电,照耀长空、一时无两,引力波暴就是宇宙中的雷鸣,震荡寰宇。如果“小蜜蜂”能探测到与引力波事件关联的伽玛暴,将无疑有助于揭开这宇宙中最剧烈的“闪电”与“雷鸣”的起源之谜。

此外,天宫二号空间实验室多项应用项目达到国际先进水平,应用意义重大。

比如下面这个“动动脑子”就能“指挥”各种操作的太空脑-机交互实验。

“天宫二号”上那些太空实验,或许让科幻走进现实

太空脑—机交互实验

首次太空脑-机交互实验可将航天员的思维活动转化为操作指令,并监测航天员的脑力负荷等状态。航天员在太空中“动动脑子”就能“指挥”各种操作,这种科幻片中才能见到的情景或将成为现实。

“脑-机交互将是未来人-机通信交互的最高形态。”项目主要负责人、天津大学精仪学院教授明东介绍,脑-机交互一直被列为美国最优先支持发展的颠覆性创新技术之一,“这将是中国人领先欧美开启的一次太空脑-机交互实验征程”。

为何要在太空中率先开展脑-机交互研究?“从宏观来说,人类的大脑因其复杂神秘而被称为‘三磅宇宙’,探索宇宙与探索大脑存在着天然的关联。”明东介绍,航天员在太空环境中,完成复杂作业任务受到极大的限制,脑-机交互可以不依赖外周神经和运动系统,将航天员的思维活动转化为操作指令,同时又能监测航天员的脑力负荷等神经功能状态,实现人机互适应,减轻作业负荷,是最为理想的人机交互方式。

通过脑力负荷与视功能测试系统,可以实时获取并解析航天员在作业任务时的感觉(视觉)和认知(脑力负荷)功能相关的生理信息变化。在轨脑-机交互系统针对太空飞行过程中的各类约束条件开发了适于在轨环境的高识别度、高稳定性的脑-机交互自适应检测设备与处理技术,构建了针对航天员个体的高度个性化定制的脑-机接口判别模型,设计了脑电特征强化诱导训练策略,优化了脑电特征与系统模型的耦合效率,大幅提升了脑-机在线操作的工作。(资料来源:《知识就是力量》杂志社)

专家:张文卓,中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中科院上海研究院副研究员;钱航,中国科学院国家空间科学中心博士,现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

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