炫酷好玩，“天宮課堂”幕后科學大揭秘

文/航學

3月23日下午，400千米高空之上，“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號飛船航天員翟志剛、王亞平、葉光富在“天上”演示了一系列炫酷又好玩的實驗，里面藏著不少科學“干貨”。

四大實驗暗藏奧妙

太空“冰雪”實驗

為了呼應2022年北京冬奧會，王亞平在空間站上制作了一顆熱“冰球”。只見她拿出裝有透明液體的袋子，袋口連接著吸管。隨著溶液被擠出來，在吸管口漸漸形成了透明液體球，飄在半空中。王亞平用一根小棍輕輕點在液球上，球體瞬間開始“結冰”，幾秒鐘后就變成通體雪白的“冰球”。

王亞平解釋稱，袋子里是乙酸鈉溶液，在溫度較高的水中溶解度非常大，很容易形成過飽和溶液，小棍上只要有一丁點結晶核顆粒，就能打破液體球的穩(wěn)定狀態(tài)，析出大量晶體，同時釋放熱量，因此這顆“冰球”摸起來是熱的。

中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張璐對此解讀，過飽和溶液結晶通常需要外界“擾動”，而太空“冰雪”實驗的玄機就在于小棍上沾有晶體粉末，為過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結核，進而析出三水合乙酸鈉晶體。

這個實驗在太空做和在地面做有什么不同呢？

▲ “天宮課堂”地面主課堂。胡藍月 攝

中科院物理研究所研究員、物理學會科普工作委員會主任魏紅祥解釋稱，首要區(qū)別是重力環(huán)境的差異，空間站內是微重力環(huán)境，結晶狀況跟地面上差別很大；其次，在地面上進行結晶實驗時，晶體因容器形狀不同，有很大差異，而在微重力環(huán)境中，晶體并不受容器的限制，可以懸浮在半空“自由生長”，這與空間站里的無容器材料實驗柜相呼應。而在材料生長的過程中，容器形狀和表面的結晶度、粗糙度對晶體結構、缺陷、純度等都有很大影響。

據(jù)公開資料顯示，中國空間站配備了無容器的材料柜，目前主要有兩個用途：一是實現(xiàn)材料在無容器狀態(tài)下從熔融到冷卻凝固的過程，供科研人員收集物性參數(shù)進行研究；二是用于特殊材料在軌生長，縮短新材料從實驗室走向流水線、走進大眾視野的時間。

▲ 太空“冰雪”實驗

液橋演示實驗

之后，王亞平拿起兩塊透明的液橋板，葉光富拿著裝有飲用水的袋子，向兩塊液橋板分別擠上一個水球。隨著兩個水球越來越大并黏合在一起，王亞平又將其緩慢拉開，一座奇特的液橋搭建而成，非常生動直觀地展現(xiàn)出液體表面張力的特性。

日常生活中的液橋不易被察覺，比如洗手時兩個指尖偶然形成幾毫米液柱，再拉遠一點，就會受重力作用坍塌。而在空間站里，航天員輕松演示出比地面大數(shù)百倍的液橋。

地面上也能呈現(xiàn)類似的液橋效果，不過，天宮課堂授課專家組成員、北京交通大學副教授陳征解釋稱，地面上的液橋演示實驗需要引入電介質極化新機制，現(xiàn)象雖然看起來相似，但與空間站內實驗的原理不同。

通過這個實驗，科學家希望大家更多關注和探討流體，對流體多一些理解。要知道，解釋流體的納維爾·斯托克斯方程至今還是世界六大未解數(shù)學難題之一。

中國科學院力學研究所研究員康琦介紹，在空間站上做液橋實驗，屬于微重力流體物理學的研究范疇。中國空間站核心艙布局了十幾個實驗柜，其中兩個實驗柜專門聚焦微重力流體科學?？臻g站可以最大限度地擺脫地面重力影響，為流體力學研究創(chuàng)造了良好的條件。2016年9月15日，天宮二號空間實驗室曾帶著液橋熱毛細對流實驗項目升空。

水油分離實驗

接下來的水油分離實驗，王亞平遇到了“難題”。她拿著一瓶混合溶液，包括透明的水和黃色食用油。王亞平和地面的同學們各自將手中的瓶子進行搖晃后，出現(xiàn)了截然不同的現(xiàn)象：水和油不相溶，在地面上，油比水輕，浮在水面上，而在空間站微重力環(huán)境中，王亞平手里的水和油沒發(fā)生任何變化。

中國科學院物理研究所研究員梁文杰解釋稱，在空間站中，水和油“難舍難分”，是由于在微重力環(huán)境下密度分層消失了，也就是浮力消失了。

王亞平向地面的同學們“求助”。一名同學提議：“使用旋轉的方式，借助離心作用，將水和油分開。”王亞平采納了建議，葉光富充當“人工離心機”，將繩子系在瓶口，快速旋轉，不一會兒，瓶子里的水和油就分離了。

王亞平透露，空間站上也有類似原理的離心設備，用來分離和制備一些液體。

事實上，科研人員可以借助微重力環(huán)境特性開展研究，例如利用密度分層消失，在微重力環(huán)境下向熔融合金中注入氣體，可以得到航空航天、能源和環(huán)保領域的重要材料——泡沫金屬。

▲ 液橋演示實驗

▲ 經“人工離心機”葉光富努力，水油分離

▲ “冰墩墩”參加太空實驗

此外，高微重力科學實驗柜能夠提供高微重力環(huán)境，其內部微重力水平是空間站艙內百倍到千倍，更接近真實宇宙空間；外部設計氣浮、磁浮兩級懸浮，減輕了空間站姿態(tài)和軌道控制機動產生的加速度、各類儀器運轉產生的力矩和震動、航天員活動帶來的質心變化和沖擊、太陽風和稀薄大氣的擾動等干擾因素影響，能夠支持更為精密的科學實驗。

太空拋物實驗

最后是太空拋物實驗，頂流“冰墩墩”高調亮相。王亞平手指輕輕一推“冰墩墩”，“冰墩墩”沒下墜，而是平穩(wěn)地飄向葉光富，又被葉光富推向王亞平。由此，“冰墩墩”在兩人之間來回做著近似勻速直線運動，沒出現(xiàn)在地面上那樣的曲線運動。

這不難理解，畢竟在空間站的物體幾乎不受重力影響。不過，這么簡單的實驗為什么要拿到“天上”做呢？

天宮課堂地面總課堂授課老師、北京師范大學第二附屬中學物理教師張健介紹稱，平拋運動看似簡單，但其中蘊含著非常豐富的科學道理。平拋運動指的是在不計空氣阻力的情況下，將物體以水平初速度拋出后，在重力作用下的運動。

不妨來暢想一番：如果我們在高山上做平拋實驗，把物體拋出，它將落向地面；如果將物體拋出的速度變大，它將會落向更遠的地方。假如拋出的速度足夠大，它有沒有可能不落回地面，而成為環(huán)繞地球的衛(wèi)星呢？

這個想法最早是由牛頓提出的，被戲稱為“牛頓的高山大炮實驗”，利用中學物理知識就可以把這個“足夠大的速度”計算出來：接近8000米/秒。這被稱為第一宇宙速度，也是衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，還是在軌運行的所有衛(wèi)星環(huán)繞地球最大速度，中國空間站運行速度就接近第一宇宙速度。

天地互動奇思妙想

航天員們?yōu)橥瑢W們演示完有趣的實驗后，又介紹了空間站上的科學實驗柜——高微重力實驗柜和無容器材料實驗柜，特別展示了本次任務中的空間科學實（試）驗進展。中科院空間應用工程與技術中心應用發(fā)展中心主任張偉透露，中國空間站內還有生命科學實驗柜、微重力流體物理實驗柜等十幾個科學實驗柜，未來將支撐開展大規(guī)?？茖W實驗。

我們?yōu)槭裁匆_展在軌科學實驗？張璐介紹稱，一是要揭示微重力環(huán)境下的特殊現(xiàn)象，從科學角度認識世界；二是通過在軌實驗助力地面科學研究，改進工藝水平；三是艙外有高真空環(huán)境、輻照、亞磁場等，這些特殊環(huán)境因素對生物體、材料、元器件等影響也是要研究的內容；四是進一步探索未知領域，包括暗物質探測、行星起源探索等。

▲ 天地互動現(xiàn)場。胡藍月 攝

▲ 太空授課促使青少年熱愛航天、熱愛科學。胡藍月 攝

▲ 王亞平在空間站內與中學生通信交流

建設空間站的目的，就是打造太空實驗室。等到問天號實驗艙和夢天號實驗艙發(fā)射入軌之后，中國空間站將增加更多實驗柜，供中外科學家開展更多領域的前沿科學實驗項目，成為造福全人類的太空科學平臺。

當然，在空間站進行實驗，需要滿足更多要求。陳征歸納出三點：“第一是安全，不能危及我們空間站的運行，不能有任何安全隱患；第二，實驗現(xiàn)象要和地面有明顯的差異；第三就是方便航天員操作，不會給航天員造成太多額外負擔。”

那么在空間站微重力環(huán)境下，將來還有可能做哪些既好玩好看又簡單安全的實驗？

陳征設想：在太空失重環(huán)境下，植物的生長方向，比如向光性、向水性，會不會受到重力因素影響？他認為，不只是物理現(xiàn)象，重力和我們身邊很多現(xiàn)象有關，這些都可以在空間站做一些嘗試。

此次地面主課堂設在中國科技館，分課堂設在西藏拉薩和新疆烏魯木齊。最后的提問環(huán)節(jié)中，網友們和地面課堂的同學們拋出了很多有趣的問題，3名航天員一一作答。

有同學問：“皮膚在太空會變好嗎？”

王亞平笑答，空間站里沒有陽光照射，溫度和濕度也都控制在適宜范圍內，另外，在微重力環(huán)境下，體液會向上分布，皮膚也會“向上提升”，所以感覺在空間站里皮膚狀態(tài)很不錯。當然，在空間站內，護膚水倒不出來，要用特定裝置擠壓。

還有人問：“在空間站里流眼淚是怎樣的？是像果凍一樣拉得很長，還是會蹦出來，變成一顆一顆的？”

王亞平分享了熱淚盈眶的感受：在太空中，眼淚無法像在地面時那樣自然地流下來，而是在眼眶中打轉，或者是在眼角。所以在地面上強忍眼淚、故作堅強也許很難，在太空中就很容易做到。

那么在空間站看到的月亮和在地球上看到的月亮有什么不同嗎？

翟志剛回答，空間站距離地球約400千米，地球距離月球38萬千米，所以在空間站上看月球跟在地面上看月球沒太大區(qū)別。但是，因為沒有地球上的大氣和云的干擾，從空間站上看到的月亮更加明亮、更加清晰。

學生們期盼將來成為在太空中做實驗的科學家，葉光富鼓勵他們說，隨著中國空間站建成，將會有更多科研人員飛天開展科學實驗，同學們也可以把自己設計的實驗項目提交到空間站來，然后在地面上遠程操作。

在約400千米高度的地球軌道上，“天宮課堂”流暢而順利地完成，需要強大的航天技術支撐，體現(xiàn)著我國科技進步和創(chuàng)新成果。與此同時，“天宮課堂”從創(chuàng)意到落地，既源于對能力的自信，更反映出我國對科學研究的重視。

載人航天工程到今年即將完成“三步走”規(guī)劃，建成空間站并長期運營。中國空間站將繼續(xù)服務于科學研究和科學應用，充分發(fā)揮國家太空實驗室的作用，提供得天獨厚的平臺。

如今，“天宮課堂”正逐漸成為我國太空科普的國家品牌。太空授課不僅能激發(fā)人們對航天乃至科學的興趣，也能增進公眾對門檻高、回報周期長的航天事業(yè)等大科學計劃的理解和支持，還會在青少年心中種下科學種子，等待夢想生根發(fā)芽。正如王亞平所說：“飛天夢永不失重，科學夢張力無限?！?/p>