在研究地球上物质运动规律的时候，不可避免的会遇到引力的问题，尤其是物质上下运动的时候。例如，如果热空气体比冷空气体轻，它就必须向上浮动；火焰的火焰总是向上而不是向下。另外，地球上生命的进化也不能排除地球引力的影响。这些问题都可以通过在轨微重力实验来解决，从而发现物质与生命现象之间的本质规律。本文介绍了这些方面的基础知识，然后介绍了相关的重大前沿科学问题。
首先，如何模拟微重力环境
1.微重力落塔
微重力塔是一个几十米甚至上百米高的建筑，中间留有空空间给自由落体，通常是圆塔的形式。因为空空气阻力会改变物体自由下落的速度，所以对于微重力水平要求较高的实验，需要在塔的中间搭建真空垂直管，使实验装置在没有空空气阻力的情况下下落。由于人造建筑高度的限制，这种落塔只能获得几秒钟的微重力时间。更复杂的设计是结合落井和落塔两种建筑形式来延长微重力时间。还有就是增加了投掷机构，从塔底加速实验装置。加速停止后，装置进入微重力状态，继续向上运动一段时间到达塔顶后再下落，这样仅通过下落获得的微重力时间可以增加近一倍。但由于对投掷机构的精度要求较高，需要保证实验装置在真空管中的垂直度，并且不能碰到管壁。此外，抛起时加速度很高，过载可能会在装置进入微重力时间前损伤测试样品。目前，世界上只有德国不来梅的微重力实验室是唯一真正实现了抛上抛下的落塔。
▲微重力落塔
2.微重力飞机
微重力是指飞机在飞行时，飞行员模拟自由落体的抛物线来飞行。如图，在坠落过程中，飞机内部的所有设备都进入微重力状态。当飞机到达最低点时，它再次上升，到达最高点时，它再次沿着抛物线下降，再次进入微重力环境。这样的飞行在一次任务中可以执行多次。但飞机拉起时处于超重力环境，对实验样本也有一定的扰动。因为飞机的最高高度只有10000m左右，抛物线飞行只能实现30s左右的微重力时间。这也要求飞行员有很高的飞行水平。
▲抛物线平面
3.微重力气球和微重力火箭
两种模拟方法都是将实验装置抬到几十公里到几百公里的高度，然后将实验装置抛出，让其自由下落。但下降到30km高度后，大气密度逐渐增大，产生破坏微重力环境的阻力，所以只能在进入30km高度前完成实验。由于high 空气球的最高飞行高度只有40 ~ 50km，在微重力实验中使用high 空气球获得的微重力时间并没有太大的提高。如果用probe 空火箭进行微重力实验，可以获得几分钟到十几分钟的高质量微重力时间。但是，探索空火箭的成本很高。ESA和NASA每年都用probe 空火箭进行微重力和生命科学实验，次数在一至两位数以内。使用probe 空火箭的微重力和生命科学实验都需要回收样品，因此要同时考虑样品回收的技术。世界上大多数火箭发射场都在无人区，通过降落伞采集样品。样品落地后有准确的定位信息，回收的样品可以尽快用直升机或越野车获取。少数火箭试验场[/k0/]采用海上回收的方式，比如挪威的试验场。
▲高空气球
4.伸缩式微重力实验卫星
如果人造卫星在绕地球轨道上的离心力与地球引力相等，卫星将保持在轨道上运行而不会坠落。在地球重力场条件下，这样的轨道速度被称为“第一宇宙速度”。根据轨道高度不同，速度在7.6 ~ 7.8 km/s，当卫星达到这个轨道速度时，由于离心力抵消了地球引力，人造卫星上会出现模拟微重力环境。虽然不是真实的微重力环境，但这种模拟环境和人造卫星的轨道寿命一样长，是以周、月、年计算的。因此，人造卫星是长期微重力和生命科学实验的最佳实验平台。同时需要指出的是，样品回收会带来额外的技术问题，如回收舱进入大气层后气动热的保护、着陆前开伞、开伞后着陆点的不确定性、着陆后尽快找到并获取样品的问题。与probe 空火箭和不需要回收的人造卫星相比，返回式微重力实验卫星的成本更高。
5.载人空实验室和空台站
与微重力返回式卫星不同，载人飞行任务中的微重力和生命科学实验加入了人的因素，可以大大提高微重力和生命科学实验的效率，处理随机实验现象。所以可以做更高级更复杂的实验，但成本也大大增加。因此，为载人空实验室和空站演示具有重大科学目标的合适实验任务，是微重力和生命科学团队面临的重要挑战。
▲中国未来艺术概念图空站
2.微重力条件下发生了什么变化？
在微重力环境下，液体的性能最为突出。水中的气泡将不再向上漂浮，而是向各个方向运动。不同的液体由于比重不同，不会分离出明显的液层。一滴水会浮在空里，它最重要的力是表面张力，而不是重力。
在微重力环境下，热空气体不再向上运动，所以火焰的火焰不会一直向上，而是在静止的空气体中呈圆形。
在微重力环境下，植物会失去向上生长的方向感。因为土壤里的水不会下沉，所以根会失去方向感，向四面八方生长。
细胞本身是被细胞壁包裹的液体/生命体，遵循微重力环境下液体的规律。高级生命的骨骼很快就会变得松散。航天员在轨锻炼后会在一定程度上减缓骨质流失的速度。
简而言之，所有与重力有关的物理现象都会消失。表面张力和界面粘附力成为主要力量。
第三，生物辐射效应
对于生物来说，进入空房间后，另一个特殊效果就是生物辐射效应。当生物的基本单位DNA受到空之间的粒子照射时，会发生断裂，引起基因突变。但需要指出的是，众所周知的超级大黄瓜——泰空番茄，并不是所有种子在空之间飞的普遍现象，而是经过几代筛选，选择出个体较大的后代。
如果辐射可以改变生物种子的基因，那么种子是否可以在地面上的加速器中进行辐照，然后种植？发现地面加速器对种子的作用与空之间不同，不能替代空之间飞行后对种子的作用。但是这些现象的基本理论和原理还没有研究清楚。
第四，基础物理实验
在空之间，可以进行一些在地面上无法进行或要求高精度的物理实验，如验证等效原理、玻色-爱因斯坦凝聚实验、高精度冷原子钟、量子纠缠的远距离分发实验等。这些实验的内容很多，有些和微重力没有必然联系。比如中国的墨子号量子科学实验卫星墨子号，在空之间进行了大规模高速的量子密钥分发实验、量子纠缠分发和量子隐形传态实验。这些实验与微重力无关，但也属于基础物理实验的范畴。
动词 （verb的缩写）重要的前沿问题
1.复杂流体的对流、扩散和输送
在微重力的影响下，流体会改变其运动规律。当流体的成分和边界条件变得复杂时，其在微重力下的运动规律就成为我们研究的目标，比如多相液体的分层、扩散和输运。这些规律有着广泛的应用，如火箭发动机燃料箱中的剩余燃料、卫星热管中的液体流动、月球尘埃粒子在月球表面着陆后在1/6g重力下的运动、活细胞中液体的运动等。
2.粒子辐照后DNA的遗传变异
如前所述，DNA双螺旋结构中的任何一条臂、任何一段，受到粒子照射后都会断裂。骨折发生在哪一节，哪一段，会不会自我修复，会不会遗传给后代，影响？这些都是未知的重要问题。
此外，更宏观的方面，比如宇航员的健康问题，too 空繁殖问题，都与粒子辐射密切相关。
3.达尔文的进化论在地球之外还成立吗？
不言而喻，数学在宇宙中是普遍的。1+1=2，无论在哪个地外文明，应该都是一样的，虽然表达方式可能不同。人类迄今为止掌握的基本物理规律，似乎在宇宙中具有普适性。比如，在迄今为止的所有宇宙观测中，无论被观测的星系离我们有多远，爱因斯坦的广义相对论都是普适的。
而生命科学相关的基本定律在地球之外并没有得到验证，比如达尔文的进化论。这主要是因为，除了地球，我们还没有在太阳系内发现其他生命迹象，更不用说太阳系外了。因此，在空空间，如空空间站或月球，开展生命科学基础规律的长期研究，也是生命科学的前沿。
4.如何在地面模拟微重力？
前面说过，落塔、微重力飞机、微重力气球、探测器空火箭是人类模拟微重力环境的几种方法。但是，这些方法都不能长时间模拟微重力环境。很多实验都要在空之间做，成本非常高。在载人空站进行实验时，也会有很多干扰，比如空站各种仪器和风扇的振动，甚至卫星上飞轮的转动都会降低微重力水平。目前微重力卫星上可以实现的微重力水平是103g~105g。另外还涉及到让实验样品顺利返回的问题，增加了实验的成本。
目前正在开发的不完全地面模拟方法有两种，一种是磁悬浮，一种是生物陀螺仪。然而，这两种方法都不能完全模拟真实的微重力环境。所以在实验之前，一定要仔细分析实验的目的和要求，考虑是否可以用磁悬浮和生物回转器来模拟微重力环境。
