数百千米高空，一场“太空之吻”精彩上演。

　　据中国载人航天工程办公室消息，北京时间2022年11月3日15时12分，神舟十四号航天员乘组顺利进入梦天实验舱。后续，神舟十四号航天员乘组将在空间站内先后迎接天舟五号货运飞船、神舟十五号载人飞船的访问，届时神舟十四号、十五号两个乘组将完成中国航天史上首次航天员乘组在轨轮换。

　　从人类历史上第一个空间站“礼炮一号”，到今天的梦天实验舱，载人空间站一直是人类探索前沿科技的实验场。

　　我们为什么要到太空中去做实验？有哪些实验已经或将要在太空中进行，它们解决的是什么科学问题？“梦天”升空，把太空实验的话题又一次带入了大众视野。让我们跟随航空航天专家，一探空间实验室的究竟。

　　太空的“厚礼”

　　说起空间站，我们脑海中或许立刻会浮现出这样的景象：宇宙飞船内，各种物体随处飘浮，身着笨重宇航服的航天员“轻功了得”，穿行、倒立、凌空翻滚，个个不在话下。

　　大多数人在第一堂宇宙启蒙课中就认识了“失重”，的确，这是太空环境最显著的特点之一。“更准确地说，太空中这种物体的重量接近于零的环境被称为‘微重力环境’，它的重力级别大约在10-4G左右。” 浙江大学微小卫星研究中心主任金仲和向我们介绍。金仲和是我国微小卫星研究的先驱人物之一，太空的神奇魅力，一直令他深深着迷。

　　微重力的“魔法”不只是能让物体悬空，还揭开了一系列在地球上被重力所“掩盖”的奇妙现象。天宫课堂上就展示过许多有趣的小实验。比如，重力消失后，浮力对流不再起作用，导致在太空中，水永远不能被“烧开”。沉淀与分层也随之消失，因此不同密度的物质，比如油和水，可以混合得相当均匀。

　　别小看这些中学生级别的实验原理——不仅是油和水能“融为一体”，科学家发现，几乎无对流、无沉降和无静水压作用的特殊环境，是晶体生长、复合材料制备的完美条件。

　　“在太空中，我们能获得地面上无法得到的内部均匀，结构整齐完整，且性能优良的‘太空材料’，在工业生产、生物制药，以及未来的空间探索中都有广阔的应用前景。”金仲和说。

　　“微重力效应”是太空送给航天科学的一份厚礼。与其相关的空间实验，几乎与人类的航天事业同时诞生。

　　“在地面，有几种方式可以模拟微重力环境，比如建造极高的落塔，或者让飞机作抛物线飞行。但这些方法都有缺陷，一是持续时间很短，二是会受到空气阻力较大的影响。”金仲和表示，最为理想的实验环境，还是在绕地球轨道运行的航天器中。

　　在梦天实验舱内，主要进行的就是微重力物理科学实验。梦天实验舱拥有8个实验柜，包括超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调操作柜等。目前，约40个实验项目已规划在这些实验柜中展开。

　　其中最复杂的实验柜，是由2个舱内实验柜和4台舱外设备组成的高精度时频实验系统，它通过不同特性的冷原子钟组合，将建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统，理论上可做到数亿年误差小于1秒。

　　我们为什么需要更精准的原子钟？一大原因是对于导航系统而言，测量出精确的距离就是测量出精准的时间。尤其是在深空中高速飞行的航天器，如果没有精确的时间同步，就无法对它们的准确位置进行确认。

　　空间冷原子钟之所以能如此精准，与微重力效应密不可分。在微重力环境下，冷原子团可以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更加精密的原子谱线信息，从而获得更高精度的信号。

　　空间站的“生物圈”

　　在1961年加加林成为第一个进入太空的人类之前，已经“捷足先登”太空的地球生物有一只名叫阿尔伯特二世的恒河猴，一条名叫莱卡的流浪狗，还有一只黑猩猩汉姆。

　　这些英勇的小动物，成为了人类太空之旅的“探路先锋”，也可以被视作最早一批太空生命科学实验的对象。

　　时至今日，生命科学实验已经成为了太空实验室中的头号热门。《自然》期刊前年曾做过一次统计，近20年，宇航员在国际空间站中执行了约3000项实验，其中有超过1200项涉及生物和生物技术。

　　在太空做生命科学实验有什么优势？金仲和指出，太空中有无处不在的宇宙辐射，结合微重力、高真空的环境，很容易诱发意想不到的生物性状改变。

　　我们时常听说的品质优良的“太空蔬菜”，就是把种子送上太空，接受宇宙射线辐射，再返回地球由专家培育、杂交、筛选得到的。当然，也可以直接在空间站里“种菜”。眼下，主要面向空间生命科学研究的问天实验舱中就培育有水稻和拟南芥两种植物。

　　不仅是育种，如今的空间生命科学实验，涉及从微观到宏观各层次的生命活动，涵盖了植物、动物、微生物等不同类别的物种——可以说，科学家几乎把整个生物圈都搬到了太空中。

　　举个例子，问天实验舱的生命生态实验柜就开展了拟南芥、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验，揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响。生物技术实验柜则以组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象，开展细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源和空间生物力学等实验，探索微重力环境下细胞生长和分化规律和机制。

　　不论是理解生命的本质、探究生命的起源，还是提高人类的生活质量，为更进一步的太空探索做准备，所有空间实验最终的关照对象还要回到人类自身。

　　“比如，我们已经知道，骨量流失是宇航员的职业病。在地面上，骨骼在对抗地心引力的过程中会保持一定强度，到了失重状态下，它不再承担负荷，长期下来就会出现骨量流失、骨质疏松的现象。”金仲和说，如何保证宇航员的健康，让太空旅行更为安全，是空间生命科学实验的重要目的之一。

　　此前，浙江大学生命科学学院王金福教授团队曾在实践十号卫星和天舟一号货运飞船中进行过两次实验。他们描绘出明确的细胞信号通路，阐释了在微重力的作用下，骨钙在不断流失的同时，生成也相应减少的现象。载人空间站，将成为研究团队第三次太空实验的理想平台。

　　向远处望，在金仲和看来，如果人类要继续走向更深、更远的外太空，需要更多实验来揭示长期身处对人类极不友好的太空环境中，我们该如何应对身体、心理上发生的种种变化的实验。“所谓‘长期’，未来可能不只是一年、两年，而甚至是一辈子，乃至几代人。”他说。

　　往近处看，就拿骨质疏松来说，这是每个衰老时都可能面临的问题，相关实验也有助于研发对骨细胞生成起作用的靶向药物，造福地球上的人类。

　　拨开大气“迷雾”

　　梦天实验舱完成了中国空间站“T”字构型组合体建造，但这远远不是中国空间站建设的终点。

　　站得高，看得远。登上太空，我们渴望把目光投向宇宙深处。

　　预计在两年后，一架中国自主研发建造的光学空间望远镜巡天号光学舱将会发射升空。它将与天宫空间站共轨飞行，开展巡天和对地观测。

　　还记得那张由265000个星系组成的宇宙图谱吗？那是由哈勃空间望远镜在16年间拍摄的7500张星空图拼接而成的。其中最古老的星系，位于距离地球133亿光年之外，诞生于宇宙初生的“婴儿时代”。

　　今年已经32岁“高龄”的哈勃望远镜，可远不止会拍摄震撼人心的宇宙照片。哈勃的观测数据帮助我们对宇宙的扩张速率和年龄有了更准确的认知，由它提供的高解析光谱和影像，还证实了黑洞存在于星系核中的学说。

　　一架空间望远镜，就是一座太空中的天文台。深空观测则是最宏大的空间实验。它能捕捉宇宙最初始的星光，呈现在百亿年后的人类眼前。

　　把观测实验搬到太空中，是为了拨开大气的“迷雾”。金仲和解释：“在地球上看夜晚的天空，会发现‘星星在眨眼’，这是因为厚重的大气层在流动，对光线产生了干扰。此外，宇宙天体发出的信号波段，从射电、可见光到x、γ射线等等，非常广阔，但大气层仅对其中有限的一部分是透明的，这些因素对于天文观测都极为不利。”

　　第一台太空望远镜哈勃的出现，一度解决了许多长期困扰天文学家的问题。而在同等深度和精度基础上，巡天望远镜的视场是哈勃望远镜的300倍以上。也就是说，相同条件下，哈勃望远镜能看到1颗星，巡天望远镜可以看到300颗。可以想象，巡天将带给我们对宇宙崭新的认识。

　　在整个巡天周期里，巡天望远镜的超广视野相机将会覆盖17500平方度的天区，是整个天空面积的40%，近20亿星系的高质量数据将被尽收眼底。

　　除可见的星系外，巡天望远镜还会试图去研究宇宙中那些看不见、摸不着的东西。比如，暗物质主导着宇宙结构形成，其质能是原子物质五倍。它不发光，也不会和普通物质发生碰撞，但可以通过引力透镜效应被观测。

　　宇宙由什么构成？它演化的物理机制是什么？暗能量与暗物质在宇宙中如何分布？恒星和星系如何从弥漫气体中形成？超大质量的黑洞又是怎样形成和增长的？

　　期待“巡天”升空，帮助科学家为这些宇宙之争贡献答案。