中国科学家正将地球变成巨大探测器，用来探测塑造宇宙的隐藏力量

　　在现代物理学的疆域中，标准模型虽然取得了辉煌的成就，但它仍像是一张残缺的藏宝图，无法解释暗物质、暗能量以及引力与量子力学之间的鸿沟。为了填补这些空白，科学家们长期以来一直在地底深处的实验室中，小心翼翼地寻找着超越已知物理法则的蛛丝马迹。

　　然而，一项名为SQUIRE（用于空间探索的超稳惯性参考系中的自旋量子传感器）的宏伟计划正在颠覆这一传统范式。该计划不再局限于实验室的方寸之地，而是将整个地球转化为一个巨大的极化源，并利用在轨道上飞行的量子传感器，试图捕捉塑造我们宇宙的那些隐秘力量。

　　这项将于2025年12月6日由科学出版社重点推介的研究，展示了一种将精密量子测量技术与航天工程相结合的全新物理探测手段。通过在中国空间站等近地轨道平台上部署超灵敏的量子自旋传感器，科学家们期望实现比地面实验高出数个数量级的探测灵敏度，从而揭开那些长期逃逸于人类视野之外的奇异相互作用的面纱。

　　在量子物理学的微观视角下，基本粒子不仅仅是微小的弹珠，它们还拥有被称为“自旋”的内禀属性。理论物理学家推测，如果存在超越标准模型的新粒子——例如作为暗物质候选者的轴子或类轴子粒子——它们可能会通过一种奇异的自旋相关相互作用与普通物质发生联系。这种相互作用极其微弱，在宏观世界中往往被电磁力和引力所掩盖，表现为一种稍纵即逝的“赝磁场”。

　　SQUIRE项目的核心创新在于它巧妙地利用了太空环境的独特优势，将这些微弱的信号放大到可被探测的范围。传统的地面实验室受限于静止的参考系和有限的实验源质量，很难突破灵敏度的瓶颈。而在近地轨道上，物理学的游戏规则发生了改变。

　　首先是速度的加持。中国空间站以每秒7.67公里的速度绕地球飞驰，这接近第一宇宙速度，比地面实验室中移动源的典型测试速度快了约400倍。在寻找速度依赖型的新相互作用时，这种高速运动不仅增加了粒子碰撞或相互作用的截面，更重要的是，它将原本可能是静态的、难以从背景噪声中分离的微弱信号，调制成了具有特定频率的周期性交流信号。对于轨道周期约为1.5小时的空间站而言，这种调制效应将信号转移到了毫赫兹频段，避开了低频段常见的仪器漂移和环境噪声干扰。

　　其次，也是更为震撼的一点，是实验“源”的规模升级。在地面实验中，科学家通常使用公斤级的极化材料作为源。而在SQUIRE计划中，地球本身成为了实验的一部分。由于地磁场的存在，地幔和地壳中海量的未配对电子会被极化排列。据估算，地球提供的净极化电子总数高达10的42次方量级，这比实验室中最先进的钐钴磁体源高出了整整17个数量级。当轨道上的量子传感器飞越这颗巨大的“极化行星”时，如果奇异的自旋力确实存在，它将在传感器中激发出前所未有的强烈响应。

　　一个高速的太空量子传感器网络即将揭示宇宙中隐藏的新物理现象。图片来源：AI/ScienceDaily.com

　　尽管理论前景令人心潮澎湃，但要在充满恶劣辐射、剧烈温变和复杂电磁环境的太空中进行原子级别的精密测量，工程挑战堪比大海捞针。为了实现这一目标，研究团队开发出了一套极为复杂的抗干扰系统，其核心在于一种“双惰性气体自旋传感器”原型机。

　　这台原型的设计充满了量子力学的智慧。它并没有单纯依赖一种探测介质，而是同时利用了氙-129（129Xe）和氙-131（131Xe）两种同位素。这两种原子核拥有相反的旋磁比，这意味着它们对普通磁场的响应方式截然不同，但对某些理论预测的奇异相互作用却有着特定的耦合模式。通过精密对比两种气体的自旋进动信号，研究人员可以像戴上降噪耳机一样，通过差分测量消除掉绝大部分共模磁场噪声，实现了高达一万倍的噪声抑制比。

　　此外，为了应对航天器自身的机械振动——这对精密测量是致命的干扰——团队集成了先进的光纤陀螺仪进行实时追踪，并建立了主动振动补偿机制，将振动引起的误差压低至0.65飞特斯拉（fT）的极限水平。针对太空中无处不在的宇宙射线，该装置还采用了独特的三重模块化冗余电子设计和加厚的铝制屏蔽层。测试表明，即便在三个核心控制模块中有两个因辐射受损而失效，系统依然能顽强地维持运行，将因辐射导致的意外中断率降低到每天不到一次。

　　这一系列工程突破使得原型机在实验室模拟中达到了令人惊叹的灵敏度：在1165秒的积分时间内，其单次测量精度达到了4.3飞特斯拉。这一指标已经完全满足了在轨道周期内捕捉那些理论上存在的微弱物理信号的需求。

　　SQUIRE计划的雄心远不止于一次孤立的实验。研究人员将其视为构建未来“天地一体化”量子传感网络的基石。按照规划，这一网络将天上的轨道传感器与地面深处的精密实验室连接起来，形成一个跨越数千公里的立体探测阵列。

　　这种分布式网络将极大地扩展人类对暗物质的搜索范围。特别是在针对“轴子晕”——一种假设笼罩在银河系中的暗物质形式——的探测中，轨道传感器的高速运动将使得暗物质风与核子自旋的耦合效应显著增强，预计灵敏度将比单纯的地面探测提高整整一个数量级。

　　根据理论预测，利用这一太空平台，科学家们有望在力程大于1000公里的宏观尺度上，将对速度相关型奇异相互作用的探测灵敏度提高6到7个数量级。这意味着，如果存在一种力，它只在长距离和高速运动下才显现，那么SQUIRE将是人类历史上第一双能“看见”它的眼睛。

　　展望更遥远的未来，随着人类航天足迹向太阳系深处延伸，这套量子传感技术有望被部署到行星际探测器上。届时，木星、土星等拥有巨大质量和复杂磁环境的天体，都将成为新的天然极化源。从某种意义上说，科学家们正在将整个太阳系逐步改造成一座宏伟的物理实验室。

　　SQUIRE项目的推进，标志着基础物理学研究正在经历一场从“地底”走向“天际”的空间革命。在这个新的边疆，地球不再仅仅是我们脚下的栖息地，它本身就是解开宇宙最深层奥秘的一把钥匙。随着首批在轨数据的未来传回，我们或许将不得不重写物理教科书中最基础的章节，去接纳那些曾经只存在于理论家草稿纸上的幽灵力量。