“天宫”授课，站在高处做科普

文/胡蓝月

▲ 参观太空家园

镜头里，黄红相间的陀螺再次旋转起来，这枚陀螺曾在2013 年“天宫一号”的太空授课中出现。

镜头拉远，航天员王亚平绽放熟悉的笑容，对大家说：“太空探索永无止境，随着不断旋转的陀螺，我们已经从神舟十号任务进入了空间站时代。”

时隔8 年，2021 年12 月9 日，中国航天员再次开展太空授课，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站给我们带来了一场精彩的太空科普课。这也是中国空间站首次开展太空授课，航天员们在约60 分钟的授课中展示了多项太空实验。在太空飞行中会发生哪些有趣的事情？一起来看看。

参观我们的“太空家园”

跟随王亚平，镜头首先来到天和核心舱的小柱段。核心舱是中国目前最大、最复杂的航天器，重达22.5 吨，从功能上划分为资源舱、生活控制舱和节点舱，结构上依次为大柱段、小柱段、节点舱三部分。

小柱段满足航天员睡眠、卫生需求，尽头的节点舱连接着神舟十三号载人飞船和天舟三号货运飞船。

王亚平的睡眠区贴着家人的照片，还挂了几个可爱的小玩偶。她说，自己睡觉前可以和家人通话，透过圆形舷窗向外望，是静谧的太空。

此前，网友在观看“感觉良好三人组”的“天宫”日常时发现，三名航天员与出发前相比，脸变圆了。王亚平做了解释：“在太空失重环境里，人体下肢血液上涌，就会显得脸胖胖的。”

为对抗太空中的失重效应，专家给三名航天员开出“运动处方”，像药品处方一样保护航天员的身体。三名航天员根据个性化方案，利用太空跑步机、太空自行车锻炼身体，保证在太空“出差”期间身体健康、顺利完成工作。

叶光富身穿的航天员“企鹅服”也是出于健康考虑。通过穿着“企鹅服”及“企鹅服”鞋，航天员的肌肉得到负荷和刺激，得以保持基本结构和功能，来对抗失重导致的肌肉萎缩。

俗话说，民以食为天，王亚平带领大家参观了太空厨房。她的右手边是热风加热装置和微波加热装置，另一边是饮水分配器、食品冷藏箱，冷藏箱里放着苹果。

“冷藏箱空间不大，但是能让我们吃到新鲜苹果。”王亚平说。首批入驻空间站的航天员汤洪波曾因太空“苹果吃播”走红网络，他一边扎马步，一边工作，一边啃苹果，看得人眼馋。

航天员刘伯明说，大家平时舍不得吃苹果，因为苹果的香味可以充满整个空间站。网友们感概，生活里寻常的苹果，到了天上竟是航天员舍不得吃的宝贝。

▲ 太空自行车

看，跳动的细胞

在微重力环境下，我们的细胞能正常工作吗？会发生哪些神奇变化？

“它们欢快地蹦跶着，就像在告诉大家‘我们活得好着呢’。”电脑屏幕里，荧光显微镜下的心肌细胞闪烁不停，航天员叶光富解释：“这是细胞自身生物电的反应。”

据介绍，在细胞学研究中，航天员选用了不同类型的细胞开展研究，如皮肤干细胞、心肌细胞等。在适当的温度和气体浓度条件下，对细胞进行培养，当细胞培养到一定阶段再拿出来观察。

航天员把细胞样本放在显微镜镜头下，通过人工制造1G 重力和完全失重两种环境条件，对两份细胞进行对比，观察细胞在不同重力环境中生长形态的变化过程，再研究其变化规律与机制。

支持细胞研究的科学实验柜是我国空间站的重要设施，主要由支撑系统和科学实验系统两部分组成，每一个科学实验柜都相当于一个综合性实验室，可以支撑单学科或者是多学科交叉的空间科学实验。

▲ 冷藏箱中的苹果

▲ 企鹅服细节展示

荧光显微镜下的心肌细胞闪烁不停

目前，航天员们已在轨开展了物理学、材料学、生命科学等方面的研究。据专家介绍，在空间站首批科学研究项目中，空间生命科学与生物技术领域研究数量最多，生命始终是太空科研最关注的领域，能解决人类在太空长期生存的问题。

走路、转身，太空“运动”怎么动？

▲ 叶光富展示失重条件下细胞生长发育研究

如何在太空转身？航天员叶光富上半身向左拧，下半身却不受控制地向右拧，他又尝试了吹气、游泳等方法，都没能成功转身。

“叶光富的太空转身体现的是角动量守恒原理。”太空授课科普专家组成员、北京交通大学物理国家级实验教学示范中心副教授陈征解释说，空间站处于微重力环境，人人身轻如燕，但同时也失去了地面摩擦力提供的向前的动力，因此人在太空经常飘来飘去。

航天员身处微重力的太空环境下，既不接触空间站，也不伸出手臂帮助自己转身，恰好营造了一个角动量守恒的理想状态，当航天员上半身向左转时，下半身就会“不由自主”地向反方向扭去。

太空转身实验的核心关键词角动量，是描述物体转动的物理量。在微重力的环境中，航天员不接触空间站其他实体，在类似于理想状态下验证了“没有外力矩，物体会处于角动量守恒”。

叶光富举起右手，像螺旋桨一样在身侧不断画圈，最终成功转身。

▲ 叶光富用地面常规方式进行太空行走

▲ 太空转身

专家解释，当航天员举起手臂做画圈动作时，手臂会对身体其他部分产生力矩，从而改变身体躯干的转动状态，使人的身体发生转动。有了这只手臂的帮助，航天员才能实现我们在地面简单的转身动作。

“展开手臂，叶老师旋转速度变慢，收拢手臂，旋转速度会变快。”在王亚平身后，叶光富稳稳地在太空中旋转。随着手臂的开合，他的旋转速度时快时慢，让人联想到陀螺一样的花样滑冰运动员。

大家不禁想起之前公布的“天宫”工作画面里，叶光富在完成安装设备工作后，拿起手边小工具玩了起来，太空“竹蜻蜓”在他手中旋转起飞。物体旋转速度与自身到轴线的距离有关，因此叶光富能通过臂展调节转速。

一滴水的奇妙世界

在天上，每一滴水都来之不易。王亚平举起手中的水袋，里面透明的液体看起来和普通水没什么不同。她从水袋中挤出两颗大水珠，吞入口中，介绍道：“再生水喝起来和普通水没有什么区别。”

中国空间站的用水最初通过天舟货运飞船运送到空间站。为支持神舟十三号乘组在轨6 个月的生活需要，天舟三号货运飞船携带了多组水箱，供航天员饮用和使用。水箱采用轻质、柔软材料制成的“水囊”包装，不仅可以保证饮水安全，还可以在水用尽后更好地收纳。

王亚平提到的“再生水”是通过水再生系统处理过的水，这一系统实现了空间水资源的循环使用。中国载人航天工程总设计师、中国工程院院士周建平介绍，空间站为了长期、经济地运行，要尽可能实现站内资源的循环利用，天和核心舱利用再生生保技术可以实现氧气和水的再生。

在失重环境下，空间站里的水拥有了地球表面不曾见过的“奇妙能力”。

浮力是物理学中最基础的概念。地球表面，一颗橘色的乒乓球浮在水面上，无论如何向下压，乒乓球总是倔强地弹回水面。太空里，当王亚平把乒乓球按进水杯里，乒乓球却像睡着了一样，乖乖悬浮在水中央。

“重力和浮力相伴而生，正是地球上的重力使得乒乓球能够浮于水面。”陈征解释，浮力是由液体中的压强差产生的，而液体压强的产生，正是由于液体受到了重力的作用，可以说浮力是伴随着重力产生的；而在太空处于失重状态，液体不再具有压强，无法产生浮力，所以乒乓球可以处于水中的任意位置。

在水膜张力实验中，王亚平首先利用金属圈制作了一个水膜，并通过水袋给水球加水。令人惊讶的是，水膜不但没有破裂，反而越来越厚，变成了一个“放大镜”。

王亚平拿起粉色的花朵折纸，这是她和女儿一起准备的。皱巴巴的花放在水里，花瓣舒展开，盛开在太空中。专家解释，纸的主要成分是植物纤维，有较强的亲水性，当纸花接触水后，水通过毛细现象进入纸张纤维的缝隙中，导致纤维吸水膨胀，纸花的折痕处逐渐展开，于是就出现了花开的效果。

▲ 地面和太空中乒乓球位置对比

▲ 纸花在太空中绽放

▲ 注入气泡的水球中形成一正一倒两个人像

王亚平继续给水膜注水，在表面张力的作用下逐渐诞生了一个又大又饱满的水球，这是在地球表面无法看到的奇观。专家介绍，在太空中，水在表面张力的作用下延展成水膜，水的表面张力是微观上水分子间相互作用力的宏观表现，在失重环境下，水的表面张力不受重力影响而变大。

透过水球，由于凸透镜的折射，王亚平在水球中形成一个倒立的人像。

“现在，我们往水球里注入一个大气泡。”说着，王亚平把手中的针管插入水球，水球正中心产生了一个稳定均匀的气泡。现在水球里分别有大水球和小气泡两个凸透镜，因此整体呈现出“一正一倒”两个人像。

▲ 太空欢乐球

接下来是“太空欢乐球”时间。王亚平向注入蓝色颜料的水球中放入半片泡腾片，泡腾片在水中迅速产生大量气泡。气泡们没能逃出水球的表面张力，反而与融在水中的蓝色颜料碰撞在一起，使水球渐渐膨胀起来，变成一个越来越大、蓝绿交织的大水球，像极了我们的地球家园。

这是由于水球表面张力的作用。气泡无法突破水球表面，只能在其内部相互挤压，当水球中气泡的数量增多，小气泡占据更大的空间，水球的表面积也随之变大。

画面切回地面，在中国科技馆的中国空间站科创体验基地和广西、四川、香港、澳门四处的分课堂上，同学们还沉浸在奇妙的太空课堂中，意犹未尽地追问：“在‘天宫’看星星，会一闪一闪的吗？太空有UFO 出现吗？”

三名航天员一一解答同学们的问题，全场为太空教师们献上了热烈的掌声。