科学实验

由上海技物所空间生命科学仪器团队研制的生物技术和生命生态科学实验系统于2022年7月24日随问天实验舱成功发射。上述系统是我国空间站生命科学领域的核心实验平台，以构建国家空间实验室、满足空间生命科学研究的迫切需求为目标，形成了“原位观测+生命支持+精细操控”为特色核心技术链的空间特殊环境下生命科学仪器技术系统化方案。目前，生物技术和生命生态科学实验系统已在轨稳定运行半年，完成了包括动物细胞、植物和线虫等5项空间生命科学实验，均取得圆满成功，在轨获取了大量重要科学数据，实现了我国首台自研激光共聚焦显微镜的空间应用，并在国际上首次完成了水稻“从种子到种子”全生命周期的空间培养实验。生物技术科学实验系统获得了首张空间激光共聚焦显微成像图片生物技术科学实验系统突破微纳生态空间的环境调控技术，解决了空间多维生物长周期密闭培养的难题。在空间细胞组织密闭培养方面，通过营养液换排、pH值调控、无菌环境保持等，完成了空间站灌流式干细胞培养实验，建立了空间站细胞组织实验平台。首批细胞样品由细胞上行生保支持装置搭载天舟五号货运飞船运送入轨，在轨实验期间获得了首张空间激光共聚焦显微成像图片。现细胞样品已被固定并低温存储，将随神舟十五号飞船返回。生命生态实验系统完成国际首次空间水稻“从种子到种子”全生命周期培养通用生物培养模块，作为生命生态实验柜的核心模块，为科学实验提供了稳定的环境控制，包括温控、光照、二氧化碳浓度及湿度等控制，同时创新性地供了双温区设计，使拟南芥和水稻同时在各自适宜的温区进行生长。首批拟南芥和水稻样品进行了总共长达4个月左右的试验，在国际上首次完成了水稻“从种子到种子”的全生命周期培养，现科学样品已随神舟十四号飞船返回地面，并交付科学方开展后续研究。第二批拟南芥样品已随神舟十五号飞船到达空间站，在通用生物培养模块内完成了40天的试验，科学样品已采集完毕，将随神舟十五号飞船返回。小型通用生物培养模块开展了空间辐射计量及生物损伤评估技术科学实验，线虫芯片实验盒于随神舟十五号上行，经过为期1个月的在轨实验，已结束实验完成固定液注入与录像巡检以及线虫取样和在轨储存。预计未来十年空间站生物技术和生命生态科学实验系统将为国内外近百个科学研究团队提供空间科学实验服务，为发现生命科学新现象、获得生命规律新认知、发展新型生物技术等提供技术途径和解决方案，为建成国家级空间生物实验室做出重要贡献。

借助太空特殊的环境，利用空间飞行器的特殊平台，科学家们可以开展许多地面上无法实现的科学实验和研究活动。实际上，这也是人类探索太空、建立空间站等航天平台的终极目标之一。 　　在我国载人航天工程中，空间应用系统的任务就是充分利用特殊的空间环境、空间资源，在飞行器提供的条件下开展各项空间科学实验和应用研究。 　　据了解，此次天宫一号和神舟八号交会对接任务中，天宫一号上主要安排了空间材料科学领域和空间环境探测领域的科学应用任务。 　　空间材料科学实验 　　据空间应用系统专家、中国科学院物理研究所副所长冯稷介绍，此次天宫一号上要执行的空间材料科学研究是胶体晶体生长实验，也是目前在国际上首次以这种形式探索空间胶体晶体生长的规律。主要达到两个目的：一是在空间的环境中，了解胶体晶体怎样形成 二是了解其形成和形态在外部条件控制下是怎样变化的。 　　之所以在太空做这样的实验，是因为到了空间飞行器上，在微重力甚至无重力条件下，与在地面上相比物理规律可能会有不同的表现。冯稷说，这个实验希望通过这样的空间平台，能够揭示一些物理现象，同时也为我们现实生活中可能潜在的应用材料发展做出科学上的判断。 　　空间环境探测实验 　　航天器在太空轨道运行过程中会受到微重力、低真空、带电粒子以及空间碎片等影响，而这些也构成了航天器的空间环境，对安全带来重要的影响。天宫一号需要执行的另一项主要任务就是空间环境探测实验研究。 　　空间应用系统专家、中科院国家空间科学中心空间环境部主任王世金介绍说，在天宫一号上有两台仪器，一台是多向粒子辐射探测器，它测量的是多个方向高能带电粒子，对航天器的安全防护、航天员出舱活动安全有重要意义。第二个仪器是轨道大气综合探测器。这台仪器主要是测量轨道大气的密度和成分。大气密度对航天器会产生阻力作用，被称为“拖曳效应”，也就是说，即使很稀薄的大气阻力，都会造成航天器高度下降。“我们要测量这个密度，看每天发生什么变化。” 　　另外，在天宫一号运行的高度，大气成分中90%左右是原子氧。原子氧有很强的腐蚀氧化作用，对航天器表面的材料有腐蚀性，因此探测大气的成分也十分重要。 　　王世金说，两台探测器所获得的数据几个小时后就可传送回来，能在这次航天任务中直接使用。北京飞行指挥控制中心可以利用这些数据进行轨道计算，包括返回轨道的计算，都可以用这些数据作修正。另一方面，这些数据积累起来，可用于轨道环境的模型构建或修正，进行长期的空间环境研究。 　　据记者了解，我国载人航天发展第一步，也就是神舟一号到神舟六号，一共安排了80余项空间科学试验的任务。载人航天第二步，之前神舟七号也做了伴飞小卫星试验和空间润滑材料暴露试验。 　　王世金说，未来我国载人空间站建成，将会进行更多的空间地球科学及应用、空间生命科学与生物技术、空间材料科学、微重力基础物理、空间物理与空间环境、空间天文和空间新技术试验等多个领域的应用。

为了加深人们对复杂而广袤无垠的宇宙的理解，科学家们正在制造越来越庞大的科研工具，开展越来越有野心的科学实验。然而，要做到这些并非易事，因为这些科学实验和工具动辄耗资数亿美元，而且需要来自不同国家、不同专业的科研人员群策群力才能完成。但是，所有这些实验给我们带来了令人惊喜的结果，让我们觉得一切都是值得的。 　　美国《大众科学》网站近日为我们列举出了有史以来最有野心的10大科学实验：从全球最大的海底天文台到彻底窥探我们所在星球的“终极显微镜”，再到探测险象环生的木星世界等，所有这些实验的终极目的只有一个，那就是让人类更好地了解宇宙并最终了解自身。 　　要想从浩如烟海的科学实验中拣出10个最有野心的科学实验并不容易。《大众科学》网站结合了一些客观因素和主观因素来对其进行排名。客观因素包括实验设备的预算、建造成本、参与人数等 主观因素指的是该实验的相对重要性，主要包括其科学效用、对普罗大众的效用以及其他一些让人拍案叫绝的因素。 　　1.地球透镜计划——深入地球内心的望远镜 地球透镜计划 　　美国酝酿15年的“地球透镜计划”(EarthScope)是一个正在申请并已部分实施的计划，其以发展地震科学、促进地震科学在减轻地震灾害中的应用为目标。 　　旨在追踪北美地质进化历史的“地球透镜计划”是全球最大的科学实验。这个地球科学天文台记录了973万平方公里范围内的数据。从2003年开始，该计划拥有的4000多个实验设备已经收集了676TB(太拉字节或百万兆字节)的数据，相当于美国国会图书馆数据的四分之一，而且，每6周到8 周，它就会多增加1TB字节的数据。 　　科研效用 　　地球透镜计划的具体目标是揭示北美大陆地区构造、演化和动力学过程 探测活断层系统行为 研究地震成核和破裂过程 推进对自然灾害的认识 探索火山机制以及导致火山爆发的岩浆进程 了解地幔结构与动力学、地壳构造学之间，构造地质学与地壳中流体之间的关系 通过地球交叉科学广泛而综合的研究来推进整个地学系统的研究。 　　目前，有1100个永久性的全球定位系统(GPS)元件遍及北美和波多黎哥大陆，用于追踪由于地壳构造变化导致的陆地表面的变形。位于加州活跃的圣安德烈亚斯断层附近的地震传感器会记录该断层最轻微的滑动 一小队科学家计划在未来十年内，使用反铲挖土机让一个由400台地震仪组成的可移动阵列走遍全美各地，明年它将到达美国东海岸，届时，科学家们就将收集到2000个位置的数据。 　　它能为你做什么? 　　EarthScope获取的数据可能有助于科学家解释诸如地震和火山爆发等地质事件背后的力量，以更好地探测这些现象。到目前为止，从这个科研项目收集到的数据表明，美国圣安德烈亚斯断层的岩石比其外面的岩石更脆弱 而且，黄石超级火山下的岩浆蒸汽比以前认为的更大。 　　2.大型强子对撞机(LHC)——旨在寻找“上帝粒子” 大型强子对撞机 　　大型强子对撞机(LHC)位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究中心(CERN)内，埋藏于瑞士和法国交界处的50米至150米的地下深处，它是世界上最大的粒子对撞机。LHC每小时需要消耗7000亿瓦特的能量 每年耗资10亿美元。来自于全球60个国家的超过1万名研究人员、工程师正在为 LHC的六个项目而孜孜不倦地工作着，这些科研项目旨在解开宇宙基础物理学的谜团。 　　科研效用 　　暗物质究竟是什么?空间中还存在着额外的维度吗?被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子确实存在吗?粒子是否有相对应的超对称(SUSY)粒子存在?宇宙究竟如何形成的?当重子的质量被更精确地测量时，标准模型是否仍然成立?LHC的六个粒子探测器能够记录并可视化上述问题的亚原子粒子的路径、能量和特征，有望给出答案。 　　LHC有两项大规模实验。超环面仪器“阿特拉斯(ATLAS，希腊神话中的擎天神)”实验的探测器正在搜寻明显存在着动量不平衡的撞击事件，这预示着宇宙中存在着被认为组成暗物质的超对称性。紧凑型μ子螺旋型磁谱仪(CMS)实验与ATLAS相辅相成，其主要目的是搜寻超对称性和发现捉摸不定的“上帝粒子”希格斯玻色子的踪迹。 　　ATLAS和CMS均建立在多用途探测器基础之上，用于分析加速器中撞击过程产生的数量庞大的粒子。两项实验的研究规模和研究层面均达到前所未有的程度，使用两个单独设计的探测器是交叉确认任何新发现的关键所在。 　　两项中型实验——大型离子对撞机实验(ALICE)和LHC底夸克实验(LHCb)则利用特殊的探测器来分析与特殊现象有关的撞击。 　　另外两项实验——全截面弹性散射侦测器实验(TOTEM)和LHC前行粒子实验(LHCf)的规模就要小得多。它们的焦点集中在“前行粒子”(质子或者重离子)身上。在粒子束发生碰撞时，这些粒子只是擦肩而过，而不是正面相撞。 　　它能为你做什么? 　　尽管LHC不断宣称已经发现了“上帝粒子”的蛛丝马迹，但这个科研项目对我们庸常的日常生活几乎没有什么影响，除非你的家人和朋友想在餐桌上讨论宇宙的起源。 　　3.散裂中子源——为分子拍电影的摄像机 　　散裂中子源 　　美国橡树岭国家实验室拥有世界上两个最先进的中子散射研究装置，即散裂中子源(SNS)和高通量同位素反应堆(HFIR)。散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。 　　每个月，散裂中子源会从国家电网中攫取25到28兆瓦的能量，并使用约850万加仑水来让自身冷却。在运行期间，SNS上的加速器发出的每束脉冲中子束流中包含有2千万亿个中子，将其发射进一个目标室内，这些密集的中子束流会打开物质，以便科学家揭示原子结构随时间如何变化。SNS能给研究人员提供比以前更小的物理和生物材料样品的更详细图像。 　　科研效用 　　SNS会朝一个样本发送飞驰的中子，中子的速度为光速的97%，但是，与对撞机中的粒子不同的是，与样本相遇时，中子并不会产生大爆炸。中子很小而且能量很少，因此，它们与物质之间的相互作用非常微弱。当中子穿过一个样本时，样本中的原子核会被分散。这种相互作用会改变中子的能量和方向，而且，位于该样本几尺远距离处的14个装置会记录样本内部发生的变化。 　　接着，会有软件把所有这些散射数据结合在一起，绘制出样本的原子结构，因为SNS会以每秒60个脉冲的速度发射中子包，软件能记录样本的原子结构随时间发生的变化，就像将电影的单帧画面组合在一起形成一个运动图像一样。 　　它能为你做什么? 　　科学家们正在使用这些原子层面的“电影”来实时监控电池的充放电过程，以便研制出更好的电池 它也可以被用来研究蛋白质的结构。 　　4.国际空间站——一个轨道实验室 国际空间站 　　国际空间站是一项由六个太空机构联合推进的国际合作计划。1983年，美国总统里根首先提出国际空间站的设想，经过近十余年的探索和多次重新设计，直到苏联解体、俄罗斯加盟，国际空间站才于1993年完成设计，开始实施。 　　每年需要耗资20亿美元和几千名员工的辛勤工作才能让国际空间站正常运转。迄今为止，来自11个国家的201人(其中包括7名富翁)已经拜访了国际空间站。国际空间站也接待了阿尔法磁谱仪——迄今前往国际空间站的最大最重的设备，其目的在于探测宇宙中包括暗物质和反物质在内的奇异物质。 　　科研效用 　　在国际空间站，来自美国国家航空航天局(NASA)的科学家、天文学家以及其他合作者一起测试了能被用于长途太空飞行的宇宙飞船的零件和支撑系统。他们也检查了人体的身体状况，研究失重对人体骨骼密度、红血细胞产生情况的影响以及在长期的太空飞行中人体免疫系统发生的变化。 　　它能为你做什么? 　　在国际空间站工作的科学家们发现，在太空中，沙门氏菌会变得更加致命。这个发现和找出使沙门氏菌变得更致命的基因加速了科学家们研制首个战胜沙门氏菌以及让成千上万住院病人在医院受到感染的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)疫苗的步伐。 　　5.先进光源机构——终极显微镜 先进光源机构 　　先进光源机构(ALS)是一台位于加州大学伯克利分校的粒子加速器。自从1993年开始，科学家们就开始借用该设备，朝蛋白质、电池电极、超导体和其他材料发送亮度为太阳表面亮度100万倍的质子束，力求揭示这些物质的原子、分子和电子特性。 　　科研效用 　　ALS是软X射线(波长较长及穿透能力差的X射线)最亮的来源之一，其波长对附有分光镜的光谱显微镜(主要用于揭示宽度仅为几纳米的样本的结构和化学组成的科学工具)来说刚刚好。2006年，进行ALS项目的科学家参与鉴定了从一颗在太阳系形成之初就已形成的彗星尾巴上的灰尘，实验结果表明，这些源于宇宙角落的宇宙成分比我们此前认为的更早开始混合。 　　同一年，美国斯坦福大学的生化学家罗杰科恩伯格因为使用ALS对RNA(核糖核酸)聚合酶三维结构的研究获得了2006年的诺贝尔化学奖。所得到的数据让他清晰地描述了在名为转录的过程中，遗传信息如何从DNA(脱氧核糖核酸)传递到mRNA(信使RNA)，mRNA会携带这些信息离开细胞核，以构建蛋白质。 　　它能为你做什么? 　　使用ALS研究一个同恶性黑色素瘤有关的蛋白质将有助于科学家研发出新奇的疗法来对抗这种疾病。目前，这种药物处于二期和三期临床实验阶段。从ALS获取的其他数据可能帮助科学家制造出大容量的锂电池电极，以增加电池的充电容量。最后，理解石墨烯的物理和电学结构将有助于科学家研制出原子层面的晶体管和运行速度更快的计算机处理器。 　　(未完待续)