文/航學(xué)

3月23日下午，400千米高空之上，“天宮課堂”第二課在中國(guó)空間站開(kāi)講，神舟十三號(hào)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(shí)驗(yàn)，里面藏著不少科學(xué)“干貨”。

四大實(shí)驗(yàn)暗藏奧妙

太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)

為了呼應(yīng)2022年北京冬奧會(huì)，王亞平在空間站上制作了一顆熱“冰球”。只見(jiàn)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(lái)，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(diǎn)在液球上，球體瞬間開(kāi)始“結(jié)冰”，幾秒鐘后就變成通體雪白的“冰球”。

王亞平解釋稱(chēng)，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(guò)飽和溶液，小棍上只要有一丁點(diǎn)結(jié)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(shí)釋放熱量，因此這顆“冰球”摸起來(lái)是熱的。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張璐對(duì)此解讀，過(guò)飽和溶液結(jié)晶通常需要外界“擾動(dòng)”，而太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)的玄機(jī)就在于小棍上沾有晶體粉末，為過(guò)飽和乙酸鈉溶液提供了凝結(jié)核，進(jìn)而析出三水合乙酸鈉晶體。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(lán)月 攝

中科院物理研究所研究員、物理學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)主任魏紅祥解釋稱(chēng)，首要區(qū)別是重力環(huán)境的差異，空間站內(nèi)是微重力環(huán)境，結(jié)晶狀況跟地面上差別很大；其次，在地面上進(jìn)行結(jié)晶實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(zhǎng)”，這與空間站里的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜相呼應(yīng)。而在材料生長(zhǎng)的過(guò)程中，容器形狀和表面的結(jié)晶度、粗糙度對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、純度等都有很大影響。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，中國(guó)空間站配備了無(wú)容器的材料柜，目前主要有兩個(gè)用途：一是實(shí)現(xiàn)材料在無(wú)容器狀態(tài)下從熔融到冷卻凝固的過(guò)程，供科研人員收集物性參數(shù)進(jìn)行研究；二是用于特殊材料在軌生長(zhǎng)，縮短新材料從實(shí)驗(yàn)室走向流水線、走進(jìn)大眾視野的時(shí)間。

▲ 太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)

液橋演示實(shí)驗(yàn)

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(gè)水球。隨著兩個(gè)水球越來(lái)越大并黏合在一起，王亞平又將其緩慢拉開(kāi)，一座奇特的液橋搭建而成，非常生動(dòng)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(jué)，比如洗手時(shí)兩個(gè)指尖偶然形成幾毫米液柱，再拉遠(yuǎn)一點(diǎn)，就會(huì)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(lèi)似的液橋效果，不過(guò)，天宮課堂授課專(zhuān)家組成員、北京交通大學(xué)副教授陳征解釋稱(chēng)，地面上的液橋演示實(shí)驗(yàn)需要引入電介質(zhì)極化新機(jī)制，現(xiàn)象雖然看起來(lái)相似，但與空間站內(nèi)實(shí)驗(yàn)的原理不同。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家希望大家更多關(guān)注和探討流體，對(duì)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(xué)難題之一。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員康琦介紹，在空間站上做液橋?qū)嶒?yàn)，屬于微重力流體物理學(xué)的研究范疇。中國(guó)空間站核心艙布局了十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，其中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)柜專(zhuān)門(mén)聚焦微重力流體科學(xué)?？臻g站可以最大限度地?cái)[脫地面重力影響，為流體力學(xué)研究創(chuàng)造了良好的條件。2016年9月15日，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室曾帶著液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目升空。

水油分離實(shí)驗(yàn)

接下來(lái)的水油分離實(shí)驗(yàn)，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(xué)們各自將手中的瓶子進(jìn)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(méi)發(fā)生任何變化。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員梁文杰解釋稱(chēng)，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(xué)們“求助”。一名同學(xué)提議：“使用旋轉(zhuǎn)的方式，借助離心作用，將水和油分開(kāi)?！蓖鮼喥讲杉{了建議，葉光富充當(dāng)“人工離心機(jī)”，將繩子系在瓶口，快速旋轉(zhuǎn)，不一會(huì)兒，瓶子里的水和油就分離了。

王亞平透露，空間站上也有類(lèi)似原理的離心設(shè)備，用來(lái)分離和制備一些液體。

事實(shí)上，科研人員可以借助微重力環(huán)境特性開(kāi)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(lǐng)域的重要材料——泡沫金屬。

▲ 液橋演示實(shí)驗(yàn)

▲ 經(jīng)“人工離心機(jī)”葉光富努力，水油分離

▲ “冰墩墩”參加太空實(shí)驗(yàn)

此外，高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜能夠提供高微重力環(huán)境，其內(nèi)部微重力水平是空間站艙內(nèi)百倍到千倍，更接近真實(shí)宇宙空間；外部設(shè)計(jì)氣浮、磁浮兩級(jí)懸浮，減輕了空間站姿態(tài)和軌道控制機(jī)動(dòng)產(chǎn)生的加速度、各類(lèi)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩和震動(dòng)、航天員活動(dòng)帶來(lái)的質(zhì)心變化和沖擊、太陽(yáng)風(fēng)和稀薄大氣的擾動(dòng)等干擾因素影響，能夠支持更為精密的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

太空拋物實(shí)驗(yàn)

最后是太空拋物實(shí)驗(yàn)，頂流“冰墩墩”高調(diào)亮相。王亞平手指輕輕一推“冰墩墩”，“冰墩墩”沒(méi)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(lái)回做著近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，沒(méi)出現(xiàn)在地面上那樣的曲線運(yùn)動(dòng)。

這不難理解，畢竟在空間站的物體幾乎不受重力影響。不過(guò)，這么簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)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(xué)第二附屬中學(xué)物理教師張健介紹稱(chēng)，平拋運(yùn)動(dòng)看似簡(jiǎn)單，但其中蘊(yùn)含著非常豐富的科學(xué)道理。平拋運(yùn)動(dòng)指的是在不計(jì)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(yùn)動(dòng)。

不妨來(lái)暢想一番：如果我們?cè)诟呱缴献銎綊亴?shí)驗(yàn)，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(huì)落向更遠(yuǎn)的地方。假如拋出的速度足夠大，它有沒(méi)有可能不落回地面，而成為環(huán)繞地球的衛(wèi)星呢？

這個(gè)想法最早是由牛頓提出的，被戲稱(chēng)為“牛頓的高山大炮實(shí)驗(yàn)”，利用中學(xué)物理知識(shí)就可以把這個(gè)“足夠大的速度”計(jì)算出來(lái)：接近8000米/秒。這被稱(chēng)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(yùn)行的所有衛(wèi)星環(huán)繞地球最大速度，中國(guó)空間站運(yùn)行速度就接近第一宇宙速度。

天地互動(dòng)奇思妙想

航天員們?yōu)橥瑢W(xué)們演示完有趣的實(shí)驗(yàn)后，又介紹了空間站上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜——高微重力實(shí)驗(yàn)柜和無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜，特別展示了本次任務(wù)中的空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)進(jìn)展。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉透露，中國(guó)空間站內(nèi)還有生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜等十幾個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，未來(lái)將支撐開(kāi)展大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)。

我們?yōu)槭裁匆_(kāi)展在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)？張璐介紹稱(chēng)，一是要揭示微重力環(huán)境下的特殊現(xiàn)象，從科學(xué)角度認(rèn)識(shí)世界；二是通過(guò)在軌實(shí)驗(yàn)助力地面科學(xué)研究，改進(jìn)工藝水平；三是艙外有高真空環(huán)境、輻照、亞磁場(chǎng)等，這些特殊環(huán)境因素對(duì)生物體、材料、元器件等影響也是要研究的內(nèi)容；四是進(jìn)一步探索未知領(lǐng)域，包括暗物質(zhì)探測(cè)、行星起源探索等。

▲ 天地互動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)。胡藍(lán)月 攝

▲ 太空授課促使青少年熱愛(ài)航天、熱愛(ài)科學(xué)。胡藍(lán)月 攝

▲ 王亞平在空間站內(nèi)與中學(xué)生通信交流

建設(shè)空間站的目的，就是打造太空實(shí)驗(yàn)室。等到問(wèn)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌之后，中國(guó)空間站將增加更多實(shí)驗(yàn)柜，供中外科學(xué)家開(kāi)展更多領(lǐng)域的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，成為造福全人類(lèi)的太空科學(xué)平臺(tái)。

當(dāng)然，在空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要滿足更多要求。陳征歸納出三點(diǎn)：“第一是安全，不能危及我們空間站的運(yùn)行，不能有任何安全隱患；第二，實(shí)驗(yàn)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(huì)給航天員造成太多額外負(fù)擔(dān)?！?/p>

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

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

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

有同學(xué)問(wèn)：“皮膚在太空會(huì)變好嗎？”

王亞平笑答，空間站里沒(méi)有陽(yáng)光照射，溫度和濕度也都控制在適宜范圍內(nèi)，另外，在微重力環(huán)境下，體液會(huì)向上分布，皮膚也會(huì)“向上提升”，所以感覺(jué)在空間站里皮膚狀態(tài)很不錯(cuò)。當(dāng)然，在空間站內(nèi)，護(hù)膚水倒不出來(lái)，要用特定裝置擠壓。

還有人問(wèn)：“在空間站里流眼淚是怎樣的？是像果凍一樣拉得很長(zhǎng)，還是會(huì)蹦出來(lái)，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(wú)法像在地面時(shí)那樣自然地流下來(lái)，而是在眼眶中打轉(zhuǎn)，或者是在眼角。所以在地面上強(qiáng)忍眼淚、故作堅(jiān)強(qiáng)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(wàn)千米，所以在空間站上看月球跟在地面上看月球沒(méi)太大區(qū)別。但是，因?yàn)闆](méi)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(xué)生們期盼將來(lái)成為在太空中做實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，葉光富鼓勵(lì)他們說(shuō)，隨著中國(guó)空間站建成，將會(huì)有更多科研人員飛天開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們也可以把自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提交到空間站來(lái)，然后在地面上遠(yuǎn)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(qiáng)大的航天技術(shù)支撐，體現(xiàn)著我國(guó)科技進(jìn)步和創(chuàng)新成果。與此同時(shí)，“天宮課堂”從創(chuàng)意到落地，既源于對(duì)能力的自信，更反映出我國(guó)對(duì)科學(xué)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(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。中國(guó)空間站將繼續(xù)服務(wù)于科學(xué)研究和科學(xué)應(yīng)用，充分發(fā)揮國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室的作用，提供得天獨(dú)厚的平臺(tái)。

如今，“天宮課堂”正逐漸成為我國(guó)太空科普的國(guó)家品牌。太空授課不僅能激發(fā)人們對(duì)航天乃至科學(xué)的興趣，也能增進(jìn)公眾對(duì)門(mén)檻高、回報(bào)周期長(zhǎng)的航天事業(yè)等大科學(xué)計(jì)劃的理解和支持，還會(huì)在青少年心中種下科學(xué)種子，等待夢(mèng)想生根發(fā)芽。正如王亞平所說(shuō)：“飛天夢(mèng)永不失重，科學(xué)夢(mèng)張力無(wú)限?！?/p>