“天宮”授課，站在高處做科普

文/胡藍(lán)月

▲ 參觀太空家園

鏡頭里，黃紅相間的陀螺再次旋轉(zhuǎn)起來，這枚陀螺曾在2013 年“天宮一號”的太空授課中出現(xiàn)。

鏡頭拉遠(yuǎn)，航天員王亞平綻放熟悉的笑容，對大家說：“太空探索永無止境，隨著不斷旋轉(zhuǎn)的陀螺，我們已經(jīng)從神舟十號任務(wù)進(jìn)入了空間站時代。”

時隔8 年，2021 年12 月9 日，中國航天員再次開展太空授課，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站給我們帶來了一場精彩的太空科普課。這也是中國空間站首次開展太空授課，航天員們在約60 分鐘的授課中展示了多項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)。在太空飛行中會發(fā)生哪些有趣的事情？一起來看看。

參觀我們的“太空家園”

跟隨王亞平，鏡頭首先來到天和核心艙的小柱段。核心艙是中國目前最大、最復(fù)雜的航天器，重達(dá)22.5 噸，從功能上劃分為資源艙、生活控制艙和節(jié)點(diǎn)艙，結(jié)構(gòu)上依次為大柱段、小柱段、節(jié)點(diǎn)艙三部分。

小柱段滿足航天員睡眠、衛(wèi)生需求，盡頭的節(jié)點(diǎn)艙連接著神舟十三號載人飛船和天舟三號貨運(yùn)飛船。

王亞平的睡眠區(qū)貼著家人的照片，還掛了幾個可愛的小玩偶。她說，自己睡覺前可以和家人通話，透過圓形舷窗向外望，是靜謐的太空。

此前，網(wǎng)友在觀看“感覺良好三人組”的“天宮”日常時發(fā)現(xiàn)，三名航天員與出發(fā)前相比，臉變圓了。王亞平做了解釋：“在太空失重環(huán)境里，人體下肢血液上涌，就會顯得臉胖胖的。”

為對抗太空中的失重效應(yīng)，專家給三名航天員開出“運(yùn)動處方”，像藥品處方一樣保護(hù)航天員的身體。三名航天員根據(jù)個性化方案，利用太空跑步機(jī)、太空自行車鍛煉身體，保證在太空“出差”期間身體健康、順利完成工作。

葉光富身穿的航天員“企鵝服”也是出于健康考慮。通過穿著“企鵝服”及“企鵝服”鞋，航天員的肌肉得到負(fù)荷和刺激，得以保持基本結(jié)構(gòu)和功能，來對抗失重導(dǎo)致的肌肉萎縮。

俗話說，民以食為天，王亞平帶領(lǐng)大家參觀了太空廚房。她的右手邊是熱風(fēng)加熱裝置和微波加熱裝置，另一邊是飲水分配器、食品冷藏箱，冷藏箱里放著蘋果。

“冷藏箱空間不大，但是能讓我們吃到新鮮蘋果。”王亞平說。首批入駐空間站的航天員湯洪波曾因太空“蘋果吃播”走紅網(wǎng)絡(luò)，他一邊扎馬步，一邊工作，一邊啃蘋果，看得人眼饞。

航天員劉伯明說，大家平時舍不得吃蘋果，因?yàn)樘O果的香味可以充滿整個空間站。網(wǎng)友們感概，生活里尋常的蘋果，到了天上竟是航天員舍不得吃的寶貝。

▲ 太空自行車

看，跳動的細(xì)胞

在微重力環(huán)境下，我們的細(xì)胞能正常工作嗎？會發(fā)生哪些神奇變化？

“它們歡快地蹦跶著，就像在告訴大家‘我們活得好著呢’。”電腦屏幕里，熒光顯微鏡下的心肌細(xì)胞閃爍不停，航天員葉光富解釋：“這是細(xì)胞自身生物電的反應(yīng)。”

據(jù)介紹，在細(xì)胞學(xué)研究中，航天員選用了不同類型的細(xì)胞開展研究，如皮膚干細(xì)胞、心肌細(xì)胞等。在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌怏w濃度條件下，對細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)到一定階段再拿出來觀察。

航天員把細(xì)胞樣本放在顯微鏡鏡頭下，通過人工制造1G 重力和完全失重兩種環(huán)境條件，對兩份細(xì)胞進(jìn)行對比，觀察細(xì)胞在不同重力環(huán)境中生長形態(tài)的變化過程，再研究其變化規(guī)律與機(jī)制。

支持細(xì)胞研究的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是我國空間站的重要設(shè)施，主要由支撐系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分組成，每一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個綜合性實(shí)驗(yàn)室，可以支撐單學(xué)科或者是多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

▲ 冷藏箱中的蘋果

▲ 企鵝服細(xì)節(jié)展示

熒光顯微鏡下的心肌細(xì)胞閃爍不停

目前，航天員們已在軌開展了物理學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等方面的研究。據(jù)專家介紹，在空間站首批科學(xué)研究項(xiàng)目中，空間生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域研究數(shù)量最多，生命始終是太空科研最關(guān)注的領(lǐng)域，能解決人類在太空長期生存的問題。

走路、轉(zhuǎn)身，太空“運(yùn)動”怎么動？

▲ 葉光富展示失重條件下細(xì)胞生長發(fā)育研究

如何在太空轉(zhuǎn)身？航天員葉光富上半身向左擰，下半身卻不受控制地向右擰，他又嘗試了吹氣、游泳等方法，都沒能成功轉(zhuǎn)身。

“葉光富的太空轉(zhuǎn)身體現(xiàn)的是角動量守恒原理。”太空授課科普專家組成員、北京交通大學(xué)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心副教授陳征解釋說，空間站處于微重力環(huán)境，人人身輕如燕，但同時也失去了地面摩擦力提供的向前的動力，因此人在太空經(jīng)常飄來飄去。

航天員身處微重力的太空環(huán)境下，既不接觸空間站，也不伸出手臂幫助自己轉(zhuǎn)身，恰好營造了一個角動量守恒的理想狀態(tài)，當(dāng)航天員上半身向左轉(zhuǎn)時，下半身就會“不由自主”地向反方向扭去。

太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)的核心關(guān)鍵詞角動量，是描述物體轉(zhuǎn)動的物理量。在微重力的環(huán)境中，航天員不接觸空間站其他實(shí)體，在類似于理想狀態(tài)下驗(yàn)證了“沒有外力矩，物體會處于角動量守恒”。

葉光富舉起右手，像螺旋槳一樣在身側(cè)不斷畫圈，最終成功轉(zhuǎn)身。

▲ 葉光富用地面常規(guī)方式進(jìn)行太空行走

▲ 太空轉(zhuǎn)身

專家解釋，當(dāng)航天員舉起手臂做畫圈動作時，手臂會對身體其他部分產(chǎn)生力矩，從而改變身體軀干的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，使人的身體發(fā)生轉(zhuǎn)動。有了這只手臂的幫助，航天員才能實(shí)現(xiàn)我們在地面簡單的轉(zhuǎn)身動作。

“展開手臂，葉老師旋轉(zhuǎn)速度變慢，收攏手臂，旋轉(zhuǎn)速度會變快。”在王亞平身后，葉光富穩(wěn)穩(wěn)地在太空中旋轉(zhuǎn)。隨著手臂的開合，他的旋轉(zhuǎn)速度時快時慢，讓人聯(lián)想到陀螺一樣的花樣滑冰運(yùn)動員。

大家不禁想起之前公布的“天宮”工作畫面里，葉光富在完成安裝設(shè)備工作后，拿起手邊小工具玩了起來，太空“竹蜻蜓”在他手中旋轉(zhuǎn)起飛。物體旋轉(zhuǎn)速度與自身到軸線的距離有關(guān)，因此葉光富能通過臂展調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

一滴水的奇妙世界

在天上，每一滴水都來之不易。王亞平舉起手中的水袋，里面透明的液體看起來和普通水沒什么不同。她從水袋中擠出兩顆大水珠，吞入口中，介紹道：“再生水喝起來和普通水沒有什么區(qū)別。”

中國空間站的用水最初通過天舟貨運(yùn)飛船運(yùn)送到空間站。為支持神舟十三號乘組在軌6 個月的生活需要，天舟三號貨運(yùn)飛船攜帶了多組水箱，供航天員飲用和使用。水箱采用輕質(zhì)、柔軟材料制成的“水囊”包裝，不僅可以保證飲水安全，還可以在水用盡后更好地收納。

王亞平提到的“再生水”是通過水再生系統(tǒng)處理過的水，這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空間水資源的循環(huán)使用。中國載人航天工程總設(shè)計師、中國工程院院士周建平介紹，空間站為了長期、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，要盡可能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)資源的循環(huán)利用，天和核心艙利用再生生保技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氧氣和水的再生。

在失重環(huán)境下，空間站里的水擁有了地球表面不曾見過的“奇妙能力”。

浮力是物理學(xué)中最基礎(chǔ)的概念。地球表面，一顆橘色的乒乓球浮在水面上，無論如何向下壓，乒乓球總是倔強(qiáng)地彈回水面。太空里，當(dāng)王亞平把乒乓球按進(jìn)水杯里，乒乓球卻像睡著了一樣，乖乖懸浮在水中央。

“重力和浮力相伴而生，正是地球上的重力使得乒乓球能夠浮于水面。”陳征解釋，浮力是由液體中的壓強(qiáng)差產(chǎn)生的，而液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生，正是由于液體受到了重力的作用，可以說浮力是伴隨著重力產(chǎn)生的；而在太空處于失重狀態(tài)，液體不再具有壓強(qiáng)，無法產(chǎn)生浮力，所以乒乓球可以處于水中的任意位置。

在水膜張力實(shí)驗(yàn)中，王亞平首先利用金屬圈制作了一個水膜，并通過水袋給水球加水。令人驚訝的是，水膜不但沒有破裂，反而越來越厚，變成了一個“放大鏡”。

王亞平拿起粉色的花朵折紙，這是她和女兒一起準(zhǔn)備的。皺巴巴的花放在水里，花瓣舒展開，盛開在太空中。專家解釋，紙的主要成分是植物纖維，有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)紙花接觸水后，水通過毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)入紙張纖維的縫隙中，導(dǎo)致纖維吸水膨脹，紙花的折痕處逐漸展開，于是就出現(xiàn)了花開的效果。

▲ 地面和太空中乒乓球位置對比

▲ 紙花在太空中綻放

▲ 注入氣泡的水球中形成一正一倒兩個人像

王亞平繼續(xù)給水膜注水，在表面張力的作用下逐漸誕生了一個又大又飽滿的水球，這是在地球表面無法看到的奇觀。專家介紹，在太空中，水在表面張力的作用下延展成水膜，水的表面張力是微觀上水分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)，在失重環(huán)境下，水的表面張力不受重力影響而變大。

透過水球，由于凸透鏡的折射，王亞平在水球中形成一個倒立的人像。

“現(xiàn)在，我們往水球里注入一個大氣泡。”說著，王亞平把手中的針管插入水球，水球正中心產(chǎn)生了一個穩(wěn)定均勻的氣泡。現(xiàn)在水球里分別有大水球和小氣泡兩個凸透鏡，因此整體呈現(xiàn)出“一正一倒”兩個人像。

▲ 太空歡樂球

接下來是“太空歡樂球”時間。王亞平向注入藍(lán)色顏料的水球中放入半片泡騰片，泡騰片在水中迅速產(chǎn)生大量氣泡。氣泡們沒能逃出水球的表面張力，反而與融在水中的藍(lán)色顏料碰撞在一起，使水球漸漸膨脹起來，變成一個越來越大、藍(lán)綠交織的大水球，像極了我們的地球家園。

這是由于水球表面張力的作用。氣泡無法突破水球表面，只能在其內(nèi)部相互擠壓，當(dāng)水球中氣泡的數(shù)量增多，小氣泡占據(jù)更大的空間，水球的表面積也隨之變大。

畫面切回地面，在中國科技館的中國空間站科創(chuàng)體驗(yàn)基地和廣西、四川、香港、澳門四處的分課堂上，同學(xué)們還沉浸在奇妙的太空課堂中，意猶未盡地追問：“在‘天宮’看星星，會一閃一閃的嗎？太空有UFO 出現(xiàn)嗎？”

三名航天員一一解答同學(xué)們的問題，全場為太空教師們獻(xiàn)上了熱烈的掌聲。