太空科學(xué)課（十五）
——太空實(shí)驗(yàn)柜，盡數(shù)顯神威

文/太空熊貓君

空間站的微重力環(huán)境為科學(xué)家們提供了獨(dú)特的研究條件，方便我們更加直觀地理解物理規(guī)律。接下來的天宮課堂實(shí)驗(yàn)，所運(yùn)用的原理是著名的牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律。這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作起來很簡(jiǎn)單，效果也非常神奇。

王亞平先拿出了北京冬奧會(huì)的吉祥物——冰墩墩的小公仔，她輕輕一推，冰墩墩就在空間站里緩慢地做起了后空翻。而當(dāng)王亞平稍微用力點(diǎn)兒拋出冰墩墩，它就像一架小飛機(jī)一樣，直直地向前飛去，沒有落地，似乎也沒有減速。這就是牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的直觀呈現(xiàn)，這條定律也被叫作慣性定律，你還記得它的完整表述嗎？

任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

我們生活在地球上，一切有質(zhì)量的物體都會(huì)受到重力的作用，相當(dāng)于時(shí)時(shí)刻刻都有一個(gè)“外力”在影響著物體的狀態(tài)。物體放在地面上靜止不動(dòng)，是因?yàn)榈孛鎸?duì)物體的支撐力正好與重力抵消，而拋向空中的物體會(huì)掉下來，是受到了重力的作用。我們平時(shí)是無法直觀感受到牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的，但是太空中的情況就不同了：空間站里的微重力環(huán)境可以讓我們不考慮重力的作用，即使物體有一定質(zhì)量，空氣阻力也可以忽略不計(jì)，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律在這里就可以完美地呈現(xiàn)出來——被推動(dòng)的冰墩墩可以沿著一條直線勻速飛行啦。

做了這么多太空科普實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們也了解了太空的神奇之處。但我們建造空間站的目的可不僅僅是為了科普和教學(xué)，我們最重要的目的是進(jìn)行科學(xué)研究，微重力環(huán)境可以讓我們完成很多在地面上無法開展的實(shí)驗(yàn)和研究。那么，科學(xué)家們是如何利用空間站來開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的呢？隨著葉光富的講解，太空科研的面紗也被一點(diǎn)點(diǎn)揭開。

中國空間站就像是一個(gè)放在太空中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，我們先來看看它里面都有哪些科研設(shè)備。首先亮相的是高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，它可以提供比在空間站里自然狀態(tài)下的量級(jí)還要高的微重力環(huán)境。這時(shí)候你可能要問了，空間站里不是已經(jīng)是微重力環(huán)境了嗎，為什么還需要更高量級(jí)的微重力環(huán)境呢？這是因?yàn)楦呶⒅亓Νh(huán)境對(duì)物理實(shí)驗(yàn)來說是非常重要的，重力的影響越小，實(shí)驗(yàn)過程才能越精密，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才會(huì)越準(zhǔn)確。例如，葉光富給我們介紹，科學(xué)家們使用冷原子干涉儀對(duì)原子進(jìn)行加速度測(cè)量比對(duì)，可以檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論中非常重要的等效原理。這個(gè)等效原理是廣義相對(duì)論中非常重要的力學(xué)理論基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單來說，愛因斯坦認(rèn)為當(dāng)你處于加速狀態(tài)——例如汽車啟動(dòng)或者剎車時(shí)，你的身體相對(duì)于汽車，會(huì)由于慣性而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和你被地球引力所吸引時(shí)的狀態(tài)在本質(zhì)上是一樣的?；谶@個(gè)想法，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，描述了時(shí)空與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。為了更好地驗(yàn)證等效原理，科學(xué)家們需要在盡可能不受重力干擾的環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，于是就有了空間站中的高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

那么，高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜又是如何實(shí)現(xiàn)更小的重力環(huán)境的呢？原來，在它的內(nèi)部有一個(gè)懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括內(nèi)外兩層，外層由噴氣技術(shù)控制，內(nèi)層由磁懸浮技術(shù)控制。兩種控制手段結(jié)合起來，空氣擾動(dòng)、震動(dòng)等外界干擾因素基本上就可以抵消掉，實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部的微重力水平要比外部的高上幾百甚至上千倍呢！

在天宮課堂第二課開課前不久，航天員們就配合地面科學(xué)家完成了一次懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置自動(dòng)調(diào)整的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是如何操作的呢？在視頻中，葉光富從高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中取出了懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)，讓它飄浮在空間站之中。隨后輕輕地推動(dòng)它，我們可以看到懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置改變了，可是沒過多久，懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)就又回到了移動(dòng)之前的位置。原來，是懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的噴氣裝置通過噴氣，讓它自己恢復(fù)了位置。

可是，懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)是如何知道自己位置變化了？又是如何找到初始位置的呢？奧秘就藏在高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的柜門上。柜門上畫著七排七列點(diǎn)狀矩陣，被稱為靶標(biāo)，它就是一個(gè)距離參照物。而懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的后側(cè)配有兩臺(tái)相機(jī)，通過相機(jī)對(duì)靶標(biāo)的觀測(cè)，它就可以知道自身所處的空間位置了。一旦懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置發(fā)生變化，相機(jī)就會(huì)捕捉到靶標(biāo)圖像的變化，進(jìn)而通過噴氣裝置來矯正位置。

介紹完高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，讓我們把目光轉(zhuǎn)到無容器材料實(shí)驗(yàn)柜上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜顧名思義，里面是沒用容器的。實(shí)驗(yàn)樣本可以在微重力環(huán)境下，通過靜電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮控制，整個(gè)過程不會(huì)和實(shí)驗(yàn)柜的內(nèi)表面發(fā)生接觸，這樣就避免了容器材料與樣品接觸可能帶來的污染和影響，從而獲得更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在本次太空實(shí)驗(yàn)課之前，航天員們就開展過一次鋯金屬熔化與凝固實(shí)驗(yàn)。課上放了實(shí)驗(yàn)過程的視頻：推桿將一枚直徑不到3 毫米的金屬球釋放到無容器材料實(shí)驗(yàn)柜腔體之中，小球被靜電場(chǎng)固定在腔體中間；隨著激光器啟動(dòng)，金屬球被加熱并且開始熔化；停止加熱之后，小球又開始冷卻凝固，直到完全冷卻后被收回到樣品盒中。最終，這些樣品會(huì)交到地面上的科學(xué)家手中展開研究。

早在2021 年9 月，第一批太空實(shí)驗(yàn)的樣品就已經(jīng)由神舟十二號(hào)乘組的航天員交給了地面科學(xué)家，正在進(jìn)行研究和分析。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是中國空間站內(nèi)開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)施，隨著問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙相繼發(fā)射對(duì)接，中國空間站基本構(gòu)型完成建造，更多的實(shí)驗(yàn)柜將在太空中發(fā)揮它們的功能，完成各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

展示完空間站中的實(shí)驗(yàn)柜，天宮課堂第二課的教學(xué)部分就結(jié)束了。接下來是天地連線的問答環(huán)節(jié)，這一次，全國各地的同學(xué)們又提出了哪些有趣的問題？問題背后又包含哪些科學(xué)知識(shí)呢？別急，太空熊貓君下期為你揭曉。