炫酷好玩，“天宫课堂”幕后科学大揭秘

文/航学

3月23日下午，400千米高空之上，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，神舟十三号飞船航天员翟志刚、王亚平、叶光富在“天上”演示了一系列炫酷又好玩的实验，里面藏着不少科学“干货”。

四大实验暗藏奥妙

太空“冰雪”实验

为了呼应2022年北京冬奥会，王亚平在空间站上制作了一颗热“冰球”。只见她拿出装有透明液体的袋子，袋口连接着吸管。随着溶液被挤出来，在吸管口渐渐形成了透明液体球，飘在半空中。王亚平用一根小棍轻轻点在液球上，球体瞬间开始“结冰”，几秒钟后就变成通体雪白的“冰球”。

王亚平解释称，袋子里是乙酸钠溶液，在温度较高的水中溶解度非常大，很容易形成过饱和溶液，小棍上只要有一丁点结晶核颗粒，就能打破液体球的稳定状态，析出大量晶体，同时释放热量，因此这颗“冰球”摸起来是热的。

中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张璐对此解读，过饱和溶液结晶通常需要外界“扰动”，而太空“冰雪”实验的玄机就在于小棍上沾有晶体粉末，为过饱和乙酸钠溶液提供了凝结核，进而析出三水合乙酸钠晶体。

这个实验在太空做和在地面做有什么不同呢？

▲ “天宫课堂”地面主课堂。胡蓝月 摄

中科院物理研究所研究员、物理学会科普工作委员会主任魏红祥解释称，首要区别是重力环境的差异，空间站内是微重力环境，结晶状况跟地面上差别很大；其次，在地面上进行结晶实验时，晶体因容器形状不同，有很大差异，而在微重力环境中，晶体并不受容器的限制，可以悬浮在半空“自由生长”，这与空间站里的无容器材料实验柜相呼应。而在材料生长的过程中，容器形状和表面的结晶度、粗糙度对晶体结构、缺陷、纯度等都有很大影响。

据公开资料显示，中国空间站配备了无容器的材料柜，目前主要有两个用途：一是实现材料在无容器状态下从熔融到冷却凝固的过程，供科研人员收集物性参数进行研究；二是用于特殊材料在轨生长，缩短新材料从实验室走向流水线、走进大众视野的时间。

▲ 太空“冰雪”实验

液桥演示实验

之后，王亚平拿起两块透明的液桥板，叶光富拿着装有饮用水的袋子，向两块液桥板分别挤上一个水球。随着两个水球越来越大并黏合在一起，王亚平又将其缓慢拉开，一座奇特的液桥搭建而成，非常生动直观地展现出液体表面张力的特性。

日常生活中的液桥不易被察觉，比如洗手时两个指尖偶然形成几毫米液柱，再拉远一点，就会受重力作用坍塌。而在空间站里，航天员轻松演示出比地面大数百倍的液桥。

地面上也能呈现类似的液桥效果，不过，天宫课堂授课专家组成员、北京交通大学副教授陈征解释称，地面上的液桥演示实验需要引入电介质极化新机制，现象虽然看起来相似，但与空间站内实验的原理不同。

通过这个实验，科学家希望大家更多关注和探讨流体，对流体多一些理解。要知道，解释流体的纳维尔·斯托克斯方程至今还是世界六大未解数学难题之一。

中国科学院力学研究所研究员康琦介绍，在空间站上做液桥实验，属于微重力流体物理学的研究范畴。中国空间站核心舱布局了十几个实验柜，其中两个实验柜专门聚焦微重力流体科学。空间站可以最大限度地摆脱地面重力影响，为流体力学研究创造了良好的条件。2016年9月15日，天宫二号空间实验室曾带着液桥热毛细对流实验项目升空。

水油分离实验

接下来的水油分离实验，王亚平遇到了“难题”。她拿着一瓶混合溶液，包括透明的水和黄色食用油。王亚平和地面的同学们各自将手中的瓶子进行摇晃后，出现了截然不同的现象：水和油不相溶，在地面上，油比水轻，浮在水面上，而在空间站微重力环境中，王亚平手里的水和油没发生任何变化。

中国科学院物理研究所研究员梁文杰解释称，在空间站中，水和油“难舍难分”，是由于在微重力环境下密度分层消失了，也就是浮力消失了。

王亚平向地面的同学们“求助”。一名同学提议：“使用旋转的方式，借助离心作用，将水和油分开。”王亚平采纳了建议，叶光富充当“人工离心机”，将绳子系在瓶口，快速旋转，不一会儿，瓶子里的水和油就分离了。

王亚平透露，空间站上也有类似原理的离心设备，用来分离和制备一些液体。

事实上，科研人员可以借助微重力环境特性开展研究，例如利用密度分层消失，在微重力环境下向熔融合金中注入气体，可以得到航空航天、能源和环保领域的重要材料——泡沫金属。

▲ 液桥演示实验

▲ 经“人工离心机”叶光富努力，水油分离

▲ “冰墩墩”参加太空实验

此外，高微重力科学实验柜能够提供高微重力环境，其内部微重力水平是空间站舱内百倍到千倍，更接近真实宇宙空间；外部设计气浮、磁浮两级悬浮，减轻了空间站姿态和轨道控制机动产生的加速度、各类仪器运转产生的力矩和震动、航天员活动带来的质心变化和冲击、太阳风和稀薄大气的扰动等干扰因素影响，能够支持更为精密的科学实验。

太空抛物实验

最后是太空抛物实验，顶流“冰墩墩”高调亮相。王亚平手指轻轻一推“冰墩墩”，“冰墩墩”没下坠，而是平稳地飘向叶光富，又被叶光富推向王亚平。由此，“冰墩墩”在两人之间来回做着近似匀速直线运动，没出现在地面上那样的曲线运动。

这不难理解，毕竟在空间站的物体几乎不受重力影响。不过，这么简单的实验为什么要拿到“天上”做呢？

天宫课堂地面总课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健介绍称，平抛运动看似简单，但其中蕴含着非常丰富的科学道理。平抛运动指的是在不计空气阻力的情况下，将物体以水平初速度抛出后，在重力作用下的运动。

不妨来畅想一番：如果我们在高山上做平抛实验，把物体抛出，它将落向地面；如果将物体抛出的速度变大，它将会落向更远的地方。假如抛出的速度足够大，它有没有可能不落回地面，而成为环绕地球的卫星呢？

这个想法最早是由牛顿提出的，被戏称为“牛顿的高山大炮实验”，利用中学物理知识就可以把这个“足够大的速度”计算出来：接近8000米/秒。这被称为第一宇宙速度，也是卫星的最小发射速度，还是在轨运行的所有卫星环绕地球最大速度，中国空间站运行速度就接近第一宇宙速度。

天地互动奇思妙想

航天员们为同学们演示完有趣的实验后，又介绍了空间站上的科学实验柜——高微重力实验柜和无容器材料实验柜，特别展示了本次任务中的空间科学实（试）验进展。中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟透露，中国空间站内还有生命科学实验柜、微重力流体物理实验柜等十几个科学实验柜，未来将支撑开展大规模科学实验。

我们为什么要开展在轨科学实验？张璐介绍称，一是要揭示微重力环境下的特殊现象，从科学角度认识世界；二是通过在轨实验助力地面科学研究，改进工艺水平；三是舱外有高真空环境、辐照、亚磁场等，这些特殊环境因素对生物体、材料、元器件等影响也是要研究的内容；四是进一步探索未知领域，包括暗物质探测、行星起源探索等。

▲ 天地互动现场。胡蓝月 摄

▲ 太空授课促使青少年热爱航天、热爱科学。胡蓝月 摄

▲ 王亚平在空间站内与中学生通信交流

建设空间站的目的，就是打造太空实验室。等到问天号实验舱和梦天号实验舱发射入轨之后，中国空间站将增加更多实验柜，供中外科学家开展更多领域的前沿科学实验项目，成为造福全人类的太空科学平台。

当然，在空间站进行实验，需要满足更多要求。陈征归纳出三点：“第一是安全，不能危及我们空间站的运行，不能有任何安全隐患；第二，实验现象要和地面有明显的差异；第三就是方便航天员操作，不会给航天员造成太多额外负担。”

那么在空间站微重力环境下，将来还有可能做哪些既好玩好看又简单安全的实验？

陈征设想：在太空失重环境下，植物的生长方向，比如向光性、向水性，会不会受到重力因素影响？他认为，不只是物理现象，重力和我们身边很多现象有关，这些都可以在空间站做一些尝试。

此次地面主课堂设在中国科技馆，分课堂设在西藏拉萨和新疆乌鲁木齐。最后的提问环节中，网友们和地面课堂的同学们抛出了很多有趣的问题，3名航天员一一作答。

有同学问：“皮肤在太空会变好吗？”

王亚平笑答，空间站里没有阳光照射，温度和湿度也都控制在适宜范围内，另外，在微重力环境下，体液会向上分布，皮肤也会“向上提升”，所以感觉在空间站里皮肤状态很不错。当然，在空间站内，护肤水倒不出来，要用特定装置挤压。

还有人问：“在空间站里流眼泪是怎样的？是像果冻一样拉得很长，还是会蹦出来，变成一颗一颗的？”

王亚平分享了热泪盈眶的感受：在太空中，眼泪无法像在地面时那样自然地流下来，而是在眼眶中打转，或者是在眼角。所以在地面上强忍眼泪、故作坚强也许很难，在太空中就很容易做到。

那么在空间站看到的月亮和在地球上看到的月亮有什么不同吗？

翟志刚回答，空间站距离地球约400千米，地球距离月球38万千米，所以在空间站上看月球跟在地面上看月球没太大区别。但是，因为没有地球上的大气和云的干扰，从空间站上看到的月亮更加明亮、更加清晰。

学生们期盼将来成为在太空中做实验的科学家，叶光富鼓励他们说，随着中国空间站建成，将会有更多科研人员飞天开展科学实验，同学们也可以把自己设计的实验项目提交到空间站来，然后在地面上远程操作。

在约400千米高度的地球轨道上，“天宫课堂”流畅而顺利地完成，需要强大的航天技术支撑，体现着我国科技进步和创新成果。与此同时，“天宫课堂”从创意到落地，既源于对能力的自信，更反映出我国对科学研究的重视。

载人航天工程到今年即将完成“三步走”规划，建成空间站并长期运营。中国空间站将继续服务于科学研究和科学应用，充分发挥国家太空实验室的作用，提供得天独厚的平台。

如今，“天宫课堂”正逐渐成为我国太空科普的国家品牌。太空授课不仅能激发人们对航天乃至科学的兴趣，也能增进公众对门槛高、回报周期长的航天事业等大科学计划的理解和支持，还会在青少年心中种下科学种子，等待梦想生根发芽。正如王亚平所说：“飞天梦永不失重，科学梦张力无限。”