“天宮”掠影現(xiàn)蒼穹 吾輩此課摘星辰
——“天宮課堂”第二課拓展解讀

□文/ 南京信息工程大學(xué)物理學(xué)教授、博導(dǎo) 劉玉柱 南京信息工程大學(xué) 周卓彥

2022 年3 月23 日15 時(shí)44 分，“天宮課堂”第二課正式開(kāi)講。在約45 分鐘的授課中，航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合，生動(dòng)演示了微重力環(huán)境下的太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)、液橋?qū)嶒?yàn)、水油分離實(shí)驗(yàn)、太空拋物實(shí)驗(yàn)等，展示了部分空間科學(xué)設(shè)施，介紹了在空間站中的工作生活情況。此時(shí)，3 位航天員已順利“回家”，但他們?yōu)榍嗌倌昱笥验_(kāi)設(shè)的“天空課堂”仍讓大家記憶猶新。我們不妨來(lái)探討一番這些實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)原理，同時(shí)了解一下它們?cè)谖覀兩钪械膽?yīng)用吧！

點(diǎn)水成冰——太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)

大家是否還記得在上一次“天宮課堂”上，王亞平利用固水環(huán)制作了水膜、水球，并開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)。而在第二次課上，王亞平?jīng)]有再借助其他器具，而是取出水袋后直接輕輕擠壓，液體在管口出現(xiàn)結(jié)晶。經(jīng)過(guò)處理后，王亞平再次擠出液體，液體球靜靜地懸停在空間站內(nèi)。接下來(lái)，奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了：王亞平用蘸有粉末的小棒觸碰液體球后，它開(kāi)始“結(jié)冰”了！

實(shí)際上，這個(gè)“水球”的成分是過(guò)飽和的乙酸鈉溶液。乙酸鈉（也叫醋酸鈉）在水中的溶解度會(huì)隨溶液溫度的上升而增大。將飽和乙酸鈉溶液加熱，它便有能力繼續(xù)溶解更多溶質(zhì)，再將“加料”后的溶液冷卻，便得到了過(guò)飽和乙酸鈉溶液。此時(shí)，如果沒(méi)有新的溶質(zhì)加入，它就會(huì)在水袋內(nèi)穩(wěn)定保持溶液狀態(tài)，平安度過(guò)飛船發(fā)射的震動(dòng)，順利到達(dá)空間站。但這種溶液并沒(méi)有表面看起來(lái)的那樣平靜，只要再加入一點(diǎn)點(diǎn)無(wú)水乙酸鈉粉末，“水球”便會(huì)從粉末所接觸的地方開(kāi)始結(jié)晶，結(jié)晶過(guò)程中還會(huì)釋放熱量。

那么，為什么要把“冰雪”實(shí)驗(yàn)帶到太空呢？這是因?yàn)榭臻g站擁有微重力環(huán)境，過(guò)飽和溶液不需要容器盛裝就能在空中形成溶液球。如果在地面進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，溶液受到容器的限制，只能向內(nèi)結(jié)晶。而太空中的微重力“無(wú)容器”狀態(tài)，可以讓溶液在懸浮狀態(tài)下完成結(jié)晶，從而觀察到不受地球重力影響的材料物性變化。

可能有同學(xué)要問(wèn)了：這個(gè)實(shí)驗(yàn)在我們的生活中有什么具體應(yīng)用嗎？由于結(jié)晶時(shí)會(huì)釋放大量熱量以及它獨(dú)特的觸發(fā)條件，這一原理在生活中常用于制作“暖寶寶”。這種“暖寶寶”只要對(duì)它進(jìn)行擠壓或其他觸發(fā)方式，它就能發(fā)熱。同時(shí)，這一觸碰發(fā)熱的特性也常常用在一些特殊條件的工業(yè)生產(chǎn)中。

太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)

遇水架橋——液橋演示實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行講解之前，大家不妨想一想，是否對(duì)液橋?qū)嶒?yàn)有些似曾相識(shí)的感覺(jué)？沒(méi)錯(cuò)！在上一次 “天宮課堂”中，王亞平就制作了一張漂亮的水膜，還將一朵與她女兒一同制作的紙花放置在水膜上。在水表面張力的作用下，紙花沿著水膜表面慢慢綻放，成就了溫馨又經(jīng)典的一幕。這次實(shí)驗(yàn)同樣也是向大家展現(xiàn)出了水的表面張力。在實(shí)驗(yàn)中，王亞平手持兩片塑料板，葉光富在塑料板表面上分別擠上水，兩片塑料板逐漸接近，水便在板間連起了一座“橋”。王亞平將塑料板的距離拉遠(yuǎn)，“橋”也沒(méi)有斷開(kāi)。這便是液橋現(xiàn)象。

在太空微重力環(huán)境和液體表面張力的共同作用下，液橋形成了。表面張力像是給液體披上了一層帶有彈性的保護(hù)膜。我們輕輕地吹葉子上的小水滴時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)吹不動(dòng)，就是因?yàn)檫@層保護(hù)膜在“保護(hù)”水滴的形狀不被破壞。

其實(shí)在地面環(huán)境中，液橋也并不罕見(jiàn)。洗手時(shí)將兩根濕漉漉的手指貼合，再緩慢分開(kāi)一小段距離，指間會(huì)出現(xiàn)一段小液柱，這便是液橋。不過(guò)，由于液體表面張力很弱，在正常的重力環(huán)境下，液橋的尺寸通常難以超過(guò)幾毫米。而在空間站微重力環(huán)境下，表面張力便能“大顯神通”，可以維持大尺寸的液橋。

液橋?qū)嶒?yàn)

雖然在地面上很難做出長(zhǎng)長(zhǎng)的液橋，但是大家可以在家嘗試許多表面張力的替代小實(shí)驗(yàn)哦。在這里給大家布置一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：找一個(gè)玻璃杯，裝滿水，然后一點(diǎn)一點(diǎn)地向里面放入回形針，觀察水是否會(huì)溢出、液面又會(huì)發(fā)生什么變化。大家可以自己動(dòng)手試一試。

除此之外，生活中處處可見(jiàn)表面張力的身影，比如水黽能站在水面上正是利用了水的表面張力。在通常情況下，水的表面張力對(duì)于水黽來(lái)說(shuō)十分巨大，水黽的一條腿就能在水面上支撐起15 倍于自身的質(zhì)量。所以，水黽可以很輕松地站立在水面上。這時(shí)肯定會(huì)有同學(xué)提出疑問(wèn)了：“人能像水黽一樣站在水上嗎？”很可惜，答案是不能，就是因?yàn)槿俗陨淼闹亓h(yuǎn)大于水的表面張力，因此盡管知道是水的表面張力使水黽站在水上，人類也無(wú)法模仿水黽。但是，如果有一天我們能夠發(fā)現(xiàn)表面張力更大的液體，也許就可以真正實(shí)現(xiàn)“輕功水上漂”。

人造“重力”——水油分離實(shí)驗(yàn)

在課堂上，王亞平手中的小瓶裝著水、油兩種物質(zhì)。在空間站環(huán)境中，晶瑩剔透的油滴并不會(huì)像在地面一樣上浮，而是與水相混合，這和上一次“天宮課堂”中的泡騰片不斷翻騰的氣泡現(xiàn)象相互呼應(yīng)。不過(guò)，在葉光富用一根繩子系住小瓶并快速旋轉(zhuǎn)后，由于離心力的作用，水、油則出現(xiàn)了分層。它們背后的原理都是在微重力環(huán)境下密度分層消失，這是微重力環(huán)境最直觀的應(yīng)用。

有同學(xué)又要問(wèn)了：“什么是離心力呀？”當(dāng)物體做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)受到離心力的作用。同學(xué)們有沒(méi)有轉(zhuǎn)過(guò)筆呢？經(jīng)常轉(zhuǎn)筆的同學(xué)是不是發(fā)現(xiàn)筆轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著就好像“活”起來(lái)了，一個(gè)勁兒地想要逃出你的手掌而不是往你手里面鉆呀？這就是離心力的體現(xiàn)。其實(shí)，離心力類似于重力，只不過(guò)方向是指向外側(cè)的。洗衣機(jī)甩干桶就是利用離心力工作的。在水油分離實(shí)驗(yàn)中，密度較大的水受到的離心力大，而密度較小的油受到的離心力小，因此更“重”的水就被壓在了下層，而油處在上層。

在這里，我要考考大家了：為什么要把空間站的失重環(huán)境稱為“微重力環(huán)境”呢？其實(shí)，空間站雖然擁有失重環(huán)境，但它并沒(méi)有脫離地球引力。在距離地球約400 千米的軌道上，空間站受到的重力大約是地面重力的88.5%，并沒(méi)有顯著小于地面重力?？臻g站之所以能形成微重力環(huán)境，是因?yàn)樗邆錁O高的飛行速度，此時(shí)重力成為恰到好處的向心力，讓空間站能圍繞地球運(yùn)行。但地球并非均勻的球體，空間站的速度也并非恒定，因此空間站內(nèi)的環(huán)境是“微重力”而非“零重力”。

水油分離實(shí)驗(yàn)

墩墩飛天——太空拋物實(shí)驗(yàn)

北京冬奧會(huì)吉祥物冰墩墩也亮相太空課堂啦！身處空間站的航天員居然早就實(shí)現(xiàn)了“冰墩墩自由”，令一“墩”難求的我們著實(shí)眼饞。王亞平將可愛(ài)的冰墩墩拋出，它并沒(méi)有像在地面上一樣掉落，而是沿著直線“飛”了出去。這是空間站微重力環(huán)境最直觀的體現(xiàn)，雖然實(shí)驗(yàn)十分簡(jiǎn)單，但能令我們產(chǎn)生無(wú)限暢想！

且慢！大家想想，冰墩墩真的是在做直線運(yùn)動(dòng)嗎？其實(shí)，冰墩墩和空間站都是在環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的。在地面上看，冰墩墩走的可不是直線，而是跟空間站一樣，是一個(gè)圓??！ 那么，到底誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？其實(shí)，兩種說(shuō)法是等價(jià)的，只是視角不同而已。

王亞平和冰墩墩同框

雖然大家早就知道失重環(huán)境下的平拋運(yùn)動(dòng)，但恐怕很多同學(xué)還是第一次親眼證實(shí)了這個(gè)理論吧！太空中的平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)在是太有吸引力了！一旦同學(xué)們的思維被放大到宇宙尺度，暢想便自然而然地發(fā)生了。既然在地面上拋出物體的速度越大，它就能落到越遠(yuǎn)的地方，那如果拋出物體的速度足夠大，它是否能成為環(huán)繞地球的衛(wèi)星？

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)也被稱為“牛頓的高山大炮實(shí)驗(yàn)”，由它引出的第一宇宙速度等概念，成為發(fā)射人造衛(wèi)星、空間站的重要依據(jù)。

100 多年前，愛(ài)因斯坦就提出了等效原理。他說(shuō)：“物體在引力場(chǎng)中等效于參考系具有反向的加速度?！北热?，我站在電梯中，感受到電梯對(duì)我的支持力，這既有可能是因?yàn)殡娞萃Ｔ诘厍蛏?，地球?qū)ξ矣邢蛳碌囊υ斐傻?，也有可能是電梯在茫茫宇宙中不受到引力，但是電梯向上加速造成的。想象一下，如果汽車猛地向前加速，你是不是?huì)有推背感？

現(xiàn)在，空間站幾乎只受到地球引力，所以在空間站內(nèi)部看，物體的表現(xiàn)就跟不受重力的環(huán)境一模一樣。因此，特技傍身的冰墩墩只會(huì)出現(xiàn)在太空中。回到地面上，這特技可就不靈了。

空間科學(xué)設(shè)施展露真容

·高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

“天宮課堂”上，航天員葉光富打開(kāi)一段此前拍攝的視頻。畫面中，他用手輕輕推動(dòng)了面前的懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)。出乎意料的是，實(shí)驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有直接飄走，而是略微移動(dòng)后又穩(wěn)穩(wěn)地回到原位。

懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)正是高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的一部分，這一實(shí)驗(yàn)柜能為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供地面上難以實(shí)現(xiàn)的極限條件。

一般而言，空間站的微重力水平在10-5~10-3g。而在高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜研制中，中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員將微重力水平提升了2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10-7g 水平，相當(dāng)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜中的重力是空間站中的1‰。

懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)如此高的微重力水平，研究人員設(shè)計(jì)了雙層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)外層噴氣、內(nèi)層磁懸浮的設(shè)計(jì)，讓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“懸浮”起來(lái)，從而最大限度地消除振動(dòng)，完成微重力水平的極限挑戰(zhàn)?？茖W(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，隔離外部的各種擾動(dòng)力。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜里，科學(xué)家可以開(kāi)展許多在引力環(huán)境下難以完成的實(shí)驗(yàn)。比如，高精度的原子鐘需要冷卻銫原子，在微重力下更方便；還可以用來(lái)尋找引力波、驗(yàn)證廣義相對(duì)論的等效原理等。感興趣的同學(xué)，可以自己去了解一下。

·無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜

在介紹完高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜后，王亞平又向我們展示了通過(guò)無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行的鋯金屬熔化與凝固實(shí)驗(yàn)。一顆金屬小球懸浮在實(shí)驗(yàn)腔體中，經(jīng)過(guò)懸浮控制、激光加熱、測(cè)量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)完成。

這便是無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)。通常熔煉物質(zhì)都需要使用容器承載熔體，往往會(huì)引入雜質(zhì)，在熔體凝固過(guò)程中，會(huì)受器壁影響，生長(zhǎng)出復(fù)雜的微觀組織形態(tài)。顧名思義，“無(wú)容器”就是不用容器承載，使實(shí)驗(yàn)樣品在懸浮的狀態(tài)下完成熔煉，能夠抑制異質(zhì)形核?？臻g站的無(wú)容器實(shí)驗(yàn)樣品還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利于亞穩(wěn)態(tài)材料和新型功能材料的開(kāi)發(fā)制備。

科研人員基于先進(jìn)的靜電懸浮技術(shù)，開(kāi)發(fā)了這套全新的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜。目前，基于無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展的科學(xué)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。科學(xué)家已經(jīng)對(duì)一些樣品開(kāi)展了深入研究，例如鋯的熔化、冷卻凝固過(guò)程的研究，并且取得了一些新發(fā)現(xiàn)。

今年，“問(wèn)天”“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙將陸續(xù)發(fā)射，上面會(huì)搭載更多的實(shí)驗(yàn)柜。

無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜

天地互動(dòng)環(huán)節(jié)依舊精彩

實(shí)驗(yàn)做完了，又到了同學(xué)們最感興趣的天地互動(dòng)環(huán)節(jié)了。大家圍繞空間站的各種問(wèn)題展開(kāi)討論，交流自己的看法，抒發(fā)自己的獨(dú)特觀點(diǎn)，情緒高漲。在這里，就和大家講一講互動(dòng)中同學(xué)們提出的兩個(gè)問(wèn)題。

·空間站里流眼淚是怎樣的

在太空中，由于沒(méi)有重力，人的淚腺雖然能夠產(chǎn)生眼淚，但眼淚是流不出來(lái)的。如果淚腺持續(xù)產(chǎn)生眼淚，眼淚就會(huì)堆積，最后在眼睛中形成一個(gè)水球。這種情況在太空中是非常危險(xiǎn)的，如果液體體積較大，容易影響到空間站里的電氣設(shè)備。所以，航天員一旦有了眼淚，就要盡快用毛巾吸干。

3 位航天員在和同學(xué)們進(jìn)行互動(dòng)交流

同學(xué)們認(rèn)真聽(tīng)航天員講課

·航天員的作息如何安排

在近地軌道飛行的載人航天器一般90 分鐘繞地球飛一圈，也就是說(shuō)，一個(gè)晝夜的周期只有90 分鐘，白天、黑夜各有45 分鐘，24 小時(shí)內(nèi)有16 個(gè)晝夜交替變化。為了保持在地球上形成的生命節(jié)律，航天飛行中仍以24 小時(shí)為周期安排航天員的作息時(shí)間，一般8 小時(shí)工作，2小時(shí)用餐，1.5~2.5 小時(shí)鍛煉，3.5~4.5 小時(shí)自由活動(dòng)，8 小時(shí)睡眠。為了不使快速的晝夜節(jié)奏影響睡眠，睡眠時(shí)應(yīng)戴上眼罩。更先進(jìn)的辦法是用燈光亮度的變化來(lái)模擬地面上的晝夜節(jié)奏，以保證航天員能有很好的睡眠。

2022 年4 月16 日10 時(shí)許，“神舟十三號(hào)”載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安返回，感覺(jué)良好！飛行乘組在空間站工作生活了183 天，創(chuàng)下了中國(guó)航天員連續(xù)在軌飛行時(shí)長(zhǎng)新紀(jì)錄。