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地球变身巨型探测器：SQUIRE计划如何监听宇宙隐秘力量？
锦屏实验室｜地球探测器｜暗物质探测｜SQUIRE计划｜宇宙学｜天文宇宙
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我们生活在一个被“隐形”物质主导的宇宙中。构成我们、行星和恒星的普通物质，仅占宇宙总质能的不到5%。其余的，约27%是神秘的暗物质，68%是更难以捉摸的暗能量。几十年来，人类如同在深海中寻找一根特定的针，在全球最深的地下实验室（如中国的锦屏实验室）和能量最高的粒子对撞机中，竭力捕捉暗物质的踪迹，但它始终保持着幽灵般的沉默。
这种沉默，或许并非因为我们的仪器不够灵敏，而是因为我们的“聆听”方式需要一场革命。如果暗物质不是通过剧烈碰撞，而是以一种微弱、持续的“力”与我们互动呢？要探测这种微弱的相互作用，我们需要一个前所未有的巨型实验室。现在，一项雄心勃勃的计划正试图将我们脚下的整个地球，变成这样一个终极探测器。
2025年12月6日，《国家科学评论》上的一篇论文揭示了由中国科学技术大学彭新华、江敏教授团队领衔的SQUIRE计划（Space-based Quantum Sensing for Interaction and Exotic Bosons Research Exploration）。这个计划的核心思想堪称石破天惊：不再依赖于地面的被动等待，而是主动飞向太空，利用中国空间站作为高速平台，将地球本身作为一个巨大的、天然的自旋源，来“放大”暗物质等奇异粒子可能产生的微弱信号。
SQUIRE计划的目标是搜寻超越粒子物理标准模型的“奇异相互作用”。这些相互作用被认为由一些未知的奇异玻色子（如轴子，暗物质的有力候选者）传递，其中绝大多数都与粒子的“自旋”和相对运动速度有关。它们就像一种微弱的“赝磁场”，能够轻微改变原子的能级。SQUIRE计划部署在空间站上的，正是一种能以前所未有的精度测量这种能级变化的“量子罗盘”——超灵敏量子自旋传感器。
为什么必须去太空？地面实验在寻找这类信号时，始终面临一个难以逾越的瓶颈：无法同时大幅提升探测器与作用源的相对速度和自旋源的规模。SQUIRE计划巧妙地利用轨道动力学和行星科学，将这一瓶颈彻底转化为三大优势：
无与伦比的规模： 地球本身就是一个巨大的天然磁体。在其地磁场的作用下，地幔和地壳中数以亿万计的未配对电子（地电子）会发生自旋极化，形成一个拥有约 10⁴² 个极化电子的庞大自旋源。这个数字，比人类在实验室中能制造的最强自旋源（如钐钴磁体）要高出 10¹⁷ 倍。
巧妙的信号调制： 在地面进行直流测量，极易被各种低频噪声淹没。而空间站大约1.5小时的轨道周期，会将这种微弱的相互作用信号，天然地调制成一个频率约为0.189毫赫兹的周期性信号。这就像在嘈杂环境中寻找一盏持续亮着的灯很难，但一个有固定频率闪烁的灯塔却清晰可辨。这种调制让信号从噪声的“汪洋”中脱颖而出。
综合这些优势，SQUIRE的探测灵敏度预计将发生飞跃。理论计算显示，其可探测的信号强度高达20皮特斯拉（pT），远超地面实验0.015皮特斯拉的极限。对于作用范围超过1000公里的速度依赖型相互作用，其灵敏度甚至有望提升6到7个数量级。
将如此精密的量子仪器送入太空，本身就是一项巨大的工程挑战。空间站并非宁静的港湾，而是充满了地磁波动、机械振动和宇宙辐射的严酷环境。为此，SQUIRE团队的原型机集成了三项关键的创新技术，堪称精密工程的典范：
噪声对消的“双子心”： 传感器的核心采用了两种惰性气体同位素——¹²⁹Xe（氙-129）和¹³¹Xe（氙-131）。它们的旋磁比恰好相反，这意味着对于外部的磁场噪声，它们产生的信号会相互抵消；而对于奇异相互作用产生的赝磁场，它们的信号则会同向叠加。这种巧妙的设计，实现了高达10000倍的共模磁场噪声抑制。
“动态平衡”的减振系统： 为了对抗空间站微小的机械振动，传感器内置了高精度光纤陀螺仪，实时监测姿态变化。这些数据被反馈给主动补偿系统，能将振动带来的噪声干扰降低到可以忽略不计的0.65飞特斯拉（fT）水平。
坚不可摧的“辐射铠甲”： 宇宙射线是精密电子设备的天敌。SQUIRE的控制电路采用了航天领域成熟的三模冗余架构——即三个相同的模块同时工作，通过“投票”来决定最终结果，即使其中一个模块被高能粒子击中而失灵，系统也能无缝运行。这使得辐射导致的意外中断，降低到每天少于一次。
经过测试，这台为太空量身定制的量子传感器，单次测量灵敏度达到了4.3飞特斯拉，完美匹配空间站1.5小时的轨道周期，为其在轨搜寻暗物质奠定了坚实的技术基础。
SQUIRE的雄心并不止于在中国空间站上进行一次实验。它的长远目标，是构建一个前所未有的**“空间—地面一体化”量子传感网络**。通过将天基探测器与地面上同样灵敏的量子传感器阵列相结合，科学家们可以进行协同观测，从而在更广阔的参数空间里搜寻新物理的证据，例如检验CPT对称性是否破缺，或是寻找弥散在银河系中的“轴子晕”。
更令人激动的是，这个概念可以被推广到整个太阳系。随着中国深空探测的脚步迈向更遥远的宇宙，未来的探测器或许可以利用木星、土星这些富含极化粒子（如自旋极化的氢原子）的巨行星作为更庞大的自旋源。届时，整颗行星将成为我们探索宇宙基本法则的工具，人类的感知边界将从地球轨道延伸至星辰大海。
SQUIRE计划不仅是一次对暗物质的探索，更是一次科学范式的革新。它告诉我们，探索宇宙最深层奥秘的钥匙，有时并不在于建造更大、更昂贵的机器，而在于用一种全新的、更宏大的视角，去理解和利用我们身处的宇宙本身。通过将地球变成一个巨大的实验室，我们正在学习一种新的语言，去倾听那些塑造了宇宙、却一直沉默无言的隐秘力量。