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驗，所運用的原理是著名的牛頓第一運動定律。這個實驗操作起來很簡單，效果也非常神奇。

王亞平先拿出了北京冬奧會的吉祥物——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)王亞平稍微用力點兒拋出冰墩墩，它就像一架小飛機一樣，直直地向前飛去，沒有落地，似乎也沒有減速。這就是牛頓第一運動定律的直觀呈現(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動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。

我們生活在地球上，一切有質(zhì)量的物體都會受到重力的作用，相當(dāng)于時時刻刻都有一個“外力”在影響著物體的狀態(tài)。物體放在地面上靜止不動，是因為地面對物體的支撐力正好與重力抵消，而拋向空中的物體會掉下來，是受到了重力的作用。我們平時是無法直觀感受到牛頓第一運動定律的，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，牛頓第一運動定律在這里就可以完美地呈現(xiàn)出來——被推動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驗，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驗和研究。那么，科學(xué)家們是如何利用空間站來開展科學(xué)實驗的呢？隨著葉光富的講解，太空科研的面紗也被一點點揭開。

中國空間站就像是一個放在太空中的科學(xué)實驗室，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)實驗柜，它可以提供比在空間站里自然狀態(tài)下的量級還要高的微重力環(huán)境。這時候你可能要問了，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的微重力環(huán)境呢？這是因為高微重力環(huán)境對物理實驗來說是非常重要的，重力的影響越小，實驗過程才能越精密，實驗結(jié)果才會越準(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原子進行加速度測量比對，可以檢驗愛因斯坦廣義相對論中非常重要的等效原理。這個等效原理是廣義相對論中非常重要的力學(xué)理論基礎(chǔ)。簡單來說，愛因斯坦認(rèn)為當(dāng)你處于加速狀態(tài)——例如汽車啟動或者剎車時，你的身體相對于汽車，會由于慣性而產(chǎn)生運動，這種運動狀態(tài)和你被地球引力所吸引時的狀態(tài)在本質(zhì)上是一樣的?；谶@個想法，愛因斯坦提出了廣義相對論，描述了時空與運動的關(guān)系。為了更好地驗證等效原理，科學(xué)家們需要在盡可能不受重力干擾的環(huán)境中做實驗，于是就有了空間站中的高微重力科學(xué)實驗柜。

那么，高微重力科學(xué)實驗柜又是如何實現(xiàn)更小的重力環(huán)境的呢？原來，在它的內(nèi)部有一個懸浮實驗臺，實驗臺包括內(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、震動等外界干擾因素基本上就可以抵消掉，實驗臺內(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驗臺位置自動調(diào)整的實驗。這個實驗是如何操作的呢？在視頻中，葉光富從高微重力科學(xué)實驗柜中取出了懸浮實驗臺，讓它飄浮在空間站之中。隨后輕輕地推動它，我們可以看到懸浮實驗臺的位置改變了，可是沒過多久，懸浮實驗臺就又回到了移動之前的位置。原來，是懸浮實驗臺上的噴氣裝置通過噴氣，讓它自己恢復(fù)了位置。

可是，懸浮實驗臺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)實驗柜的柜門上。柜門上畫著七排七列點狀矩陣，被稱為靶標(biāo)，它就是一個距離參照物。而懸浮實驗臺的后側(cè)配有兩臺相機，通過相機對靶標(biāo)的觀測，它就可以知道自身所處的空間位置了。一旦懸浮實驗臺的位置發(fā)生變化，相機就會捕捉到靶標(biāo)圖像的變化，進而通過噴氣裝置來矯正位置。

介紹完高微重力科學(xué)實驗柜，讓我們把目光轉(zhuǎn)到無容器材料實驗柜上。這個實驗柜顧名思義，里面是沒用容器的。實驗樣本可以在微重力環(huán)境下，通過靜電場實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮控制，整個過程不會和實驗柜的內(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)的實驗結(jié)果。

在本次太空實驗課之前，航天員們就開展過一次鋯金屬熔化與凝固實驗。課上放了實驗過程的視頻：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驗柜腔體之中，小球被靜電場固定在腔體中間；隨著激光器啟動，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，第一批太空實驗的樣品就已經(jīng)由神舟十二號乘組的航天員交給了地面科學(xué)家，正在進行研究和分析。

科學(xué)實驗柜是中國空間站內(nèi)開展科學(xué)實驗的主要設(shè)施，隨著問天實驗艙和夢天實驗艙相繼發(fā)射對接，中國空間站基本構(gòu)型完成建造，更多的實驗柜將在太空中發(fā)揮它們的功能，完成各個領(lǐng)域的科學(xué)實驗項目。

展示完空間站中的實驗柜，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)知識呢？別急，太空熊貓君下期為你揭曉。