為什么空間站上能使用毛筆

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當(dāng)宇航員進(jìn)入太空時(shí)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的鋼筆、圓珠筆必須依靠重力將墨水漏入筆尖，所以無(wú)法使用;鉛筆雖然可以正常書寫，但微小的導(dǎo)體石墨粉可能帶來(lái)災(zāi)難性的后果;現(xiàn)代的太空筆則依靠氣壓將墨水壓出。在神舟十三號(hào)的飛行任務(wù)中，翟志剛攜帶中國(guó)傳統(tǒng)文房四寶進(jìn)入空間站，將中華兒女骨子里的劍膽琴心展現(xiàn)得淋漓盡致。

為什么毛筆這種古老文具，能在21世紀(jì)的星海探險(xiǎn)中發(fā)揮作用？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們要首先思考一番，毛筆是怎么書寫的。答案看起來(lái)很簡(jiǎn)單：毛筆上面吸收了墨水，在筆尖與紙張接觸的時(shí)候，墨水就從筆尖轉(zhuǎn)移到紙上。但是，如果深入思考，為什么只有當(dāng)筆尖接觸到紙張時(shí)，墨水才發(fā)生轉(zhuǎn)移，其他時(shí)候呢？

實(shí)際上，墨水自動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移也是常有的事情。初學(xué)者有時(shí)候會(huì)蘸上太多的墨水，墨水就會(huì)從筆尖滴下來(lái)。拿毛筆蘸墨時(shí)有特殊的技巧：只需把筆尖的一部分浸入墨中，這樣可以保證只吸入適量的墨水，墨水就不會(huì)從筆尖滴落。所以，一支毛筆能留住的墨水，有一個(gè)上限。

透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，既然毛筆可以留住墨水，那么一定有一個(gè)機(jī)制來(lái)克服重力，這個(gè)機(jī)制會(huì)是什么呢？我們不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛筆筆尖是一個(gè)開放的區(qū)域，各處的大氣壓是平衡的，于是只需要考慮重力與分子之間的相互作用。這分為兩種，一部分是液體分子之間的互相作用，另一部分是液體與容器壁分子之間的相互作用，使液體黏附或者疏離。兩種相互作用都有摩擦力，微觀上體現(xiàn)為電磁相互作用，如果在宏觀上結(jié)合起來(lái)，就帶來(lái)一種叫作毛細(xì)現(xiàn)象的神奇現(xiàn)象。

劉伯明在空間站里寫毛筆字

毛細(xì)現(xiàn)象是指，將一根毛細(xì)管浸入液體中，相比管外液面，管內(nèi)液面會(huì)自發(fā)向上或向下發(fā)生移動(dòng)。毛細(xì)現(xiàn)象第一眼看上去違反自然規(guī)律。人們常說(shuō)“水往低處流”，為什么水會(huì)自發(fā)往高處移動(dòng)？能量守恒定律告訴我們，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生或消失，液柱上升的過(guò)程伴隨重力勢(shì)能的增大，因此一定能找到另一種能量，在這個(gè)過(guò)程中是降低的。沒(méi)錯(cuò)，這種能量來(lái)自液體的表面張力。

在液體表面與內(nèi)部，液體分子之間形成的相互作用很不相同。表面的液體分子互相連接更少，相互作用更弱，于是兩側(cè)受力不均。在這種受力不均的情況下，內(nèi)部受力較大，將自發(fā)向外部“突出”，于是在不受重力的情況下，一團(tuán)液體將呈現(xiàn)球形。在這種情況下，表面張力將使液體分界面變彎，使之達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。

問(wèn)題的解答就是這樣。毛細(xì)現(xiàn)象實(shí)際上要求達(dá)到一種平衡：液體分子相互作用，和液體與表面相互作用的平衡。在達(dá)到這個(gè)平衡的過(guò)程中，液體表面會(huì)發(fā)生變形。毛筆的材料，獸毛，也就是蛋白質(zhì)，可以被水浸潤(rùn)。由于分子間相互作用不受重力影響，毛細(xì)現(xiàn)象在空間站自然也可以發(fā)生，于是毛筆在失重條件下，也可以一如既往地吸入墨水，并正常書寫。

當(dāng)我們放眼星辰大海時(shí)，前人那些充滿創(chuàng)意的智慧也凝視著我們。

（大 鈞摘自微信公眾號(hào)“中科院高能所”，本刊節(jié)選）