“天宮”掠影現蒼穹 吾輩此課摘星辰
——“天宮課堂”第二課拓展解讀

□文/ 南京信息工程大學物理學教授、博導 劉玉柱 南京信息工程大學 周卓彥

2022 年3 月23 日15 時44 分，“天宮課堂”第二課正式開講。在約45 分鐘的授課中，航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合，生動演示了微重力環境下的太空“冰雪”實驗、液橋實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗等，展示了部分空間科學設施，介紹了在空間站中的工作生活情況。此時，3 位航天員已順利“回家”，但他們為青少年朋友開設的“天空課堂”仍讓大家記憶猶新。我們不妨來探討一番這些實驗背后的科學原理，同時了解一下它們在我們生活中的應用吧！

點水成冰——太空“冰雪”實驗

大家是否還記得在上一次“天宮課堂”上，王亞平利用固水環制作了水膜、水球，并開展了一系列實驗。而在第二次課上，王亞平沒有再借助其他器具，而是取出水袋后直接輕輕擠壓，液體在管口出現結晶。經過處理后，王亞平再次擠出液體，液體球靜靜地懸停在空間站內。接下來，奇妙的現象出現了：王亞平用蘸有粉末的小棒觸碰液體球后，它開始“結冰”了！

實際上，這個“水球”的成分是過飽和的乙酸鈉溶液。乙酸鈉（也叫醋酸鈉）在水中的溶解度會隨溶液溫度的上升而增大。將飽和乙酸鈉溶液加熱，它便有能力繼續溶解更多溶質，再將“加料”后的溶液冷卻，便得到了過飽和乙酸鈉溶液。此時，如果沒有新的溶質加入，它就會在水袋內穩定保持溶液狀態，平安度過飛船發射的震動，順利到達空間站。但這種溶液并沒有表面看起來的那樣平靜，只要再加入一點點無水乙酸鈉粉末，“水球”便會從粉末所接觸的地方開始結晶，結晶過程中還會釋放熱量。

那么，為什么要把“冰雪”實驗帶到太空呢？這是因為空間站擁有微重力環境，過飽和溶液不需要容器盛裝就能在空中形成溶液球。如果在地面進行這項實驗，溶液受到容器的限制，只能向內結晶。而太空中的微重力“無容器”狀態，可以讓溶液在懸浮狀態下完成結晶，從而觀察到不受地球重力影響的材料物性變化。

可能有同學要問了：這個實驗在我們的生活中有什么具體應用嗎？由于結晶時會釋放大量熱量以及它獨特的觸發條件，這一原理在生活中常用于制作“暖寶寶”。這種“暖寶寶”只要對它進行擠壓或其他觸發方式，它就能發熱。同時，這一觸碰發熱的特性也常常用在一些特殊條件的工業生產中。

太空“冰雪”實驗

遇水架橋——液橋演示實驗

在進行講解之前，大家不妨想一想，是否對液橋實驗有些似曾相識的感覺？沒錯！在上一次 “天宮課堂”中，王亞平就制作了一張漂亮的水膜，還將一朵與她女兒一同制作的紙花放置在水膜上。在水表面張力的作用下，紙花沿著水膜表面慢慢綻放，成就了溫馨又經典的一幕。這次實驗同樣也是向大家展現出了水的表面張力。在實驗中，王亞平手持兩片塑料板，葉光富在塑料板表面上分別擠上水，兩片塑料板逐漸接近，水便在板間連起了一座“橋”。王亞平將塑料板的距離拉遠，“橋”也沒有斷開。這便是液橋現象。

在太空微重力環境和液體表面張力的共同作用下，液橋形成了。表面張力像是給液體披上了一層帶有彈性的保護膜。我們輕輕地吹葉子上的小水滴時，你會發現吹不動，就是因為這層保護膜在“保護”水滴的形狀不被破壞。

其實在地面環境中，液橋也并不罕見。洗手時將兩根濕漉漉的手指貼合，再緩慢分開一小段距離，指間會出現一段小液柱，這便是液橋。不過，由于液體表面張力很弱，在正常的重力環境下，液橋的尺寸通常難以超過幾毫米。而在空間站微重力環境下，表面張力便能“大顯神通”，可以維持大尺寸的液橋。

液橋實驗

雖然在地面上很難做出長長的液橋，但是大家可以在家嘗試許多表面張力的替代小實驗哦。在這里給大家布置一個實驗任務：找一個玻璃杯，裝滿水，然后一點一點地向里面放入回形針，觀察水是否會溢出、液面又會發生什么變化。大家可以自己動手試一試。

除此之外，生活中處處可見表面張力的身影，比如水黽能站在水面上正是利用了水的表面張力。在通常情況下，水的表面張力對于水黽來說十分巨大，水黽的一條腿就能在水面上支撐起15 倍于自身的質量。所以，水黽可以很輕松地站立在水面上。這時肯定會有同學提出疑問了：“人能像水黽一樣站在水上嗎？”很可惜，答案是不能，就是因為人自身的重力遠大于水的表面張力，因此盡管知道是水的表面張力使水黽站在水上，人類也無法模仿水黽。但是，如果有一天我們能夠發現表面張力更大的液體，也許就可以真正實現“輕功水上漂”。

人造“重力”——水油分離實驗

在課堂上，王亞平手中的小瓶裝著水、油兩種物質。在空間站環境中，晶瑩剔透的油滴并不會像在地面一樣上浮，而是與水相混合，這和上一次“天宮課堂”中的泡騰片不斷翻騰的氣泡現象相互呼應。不過，在葉光富用一根繩子系住小瓶并快速旋轉后，由于離心力的作用，水、油則出現了分層。它們背后的原理都是在微重力環境下密度分層消失，這是微重力環境最直觀的應用。

有同學又要問了：“什么是離心力呀？”當物體做圓周運動的時候，就會受到離心力的作用。同學們有沒有轉過筆呢？經常轉筆的同學是不是發現筆轉著轉著就好像“活”起來了，一個勁兒地想要逃出你的手掌而不是往你手里面鉆呀？這就是離心力的體現。其實，離心力類似于重力，只不過方向是指向外側的。洗衣機甩干桶就是利用離心力工作的。在水油分離實驗中，密度較大的水受到的離心力大，而密度較小的油受到的離心力小，因此更“重”的水就被壓在了下層，而油處在上層。

在這里，我要考考大家了：為什么要把空間站的失重環境稱為“微重力環境”呢？其實，空間站雖然擁有失重環境，但它并沒有脫離地球引力。在距離地球約400 千米的軌道上，空間站受到的重力大約是地面重力的88.5%，并沒有顯著小于地面重力。空間站之所以能形成微重力環境，是因為它具備極高的飛行速度，此時重力成為恰到好處的向心力，讓空間站能圍繞地球運行。但地球并非均勻的球體，空間站的速度也并非恒定，因此空間站內的環境是“微重力”而非“零重力”。

水油分離實驗

墩墩飛天——太空拋物實驗

北京冬奧會吉祥物冰墩墩也亮相太空課堂啦！身處空間站的航天員居然早就實現了“冰墩墩自由”，令一“墩”難求的我們著實眼饞。王亞平將可愛的冰墩墩拋出，它并沒有像在地面上一樣掉落，而是沿著直線“飛”了出去。這是空間站微重力環境最直觀的體現，雖然實驗十分簡單，但能令我們產生無限暢想！

且慢！大家想想，冰墩墩真的是在做直線運動嗎？其實，冰墩墩和空間站都是在環繞地球運動的。在地面上看，冰墩墩走的可不是直線，而是跟空間站一樣，是一個圓弧！ 那么，到底誰對誰錯呢？其實，兩種說法是等價的，只是視角不同而已。

王亞平和冰墩墩同框

雖然大家早就知道失重環境下的平拋運動，但恐怕很多同學還是第一次親眼證實了這個理論吧！太空中的平拋運動實在是太有吸引力了！一旦同學們的思維被放大到宇宙尺度，暢想便自然而然地發生了。既然在地面上拋出物體的速度越大，它就能落到越遠的地方，那如果拋出物體的速度足夠大，它是否能成為環繞地球的衛星？

這個思想實驗也被稱為“牛頓的高山大炮實驗”，由它引出的第一宇宙速度等概念，成為發射人造衛星、空間站的重要依據。

100 多年前，愛因斯坦就提出了等效原理。他說：“物體在引力場中等效于參考系具有反向的加速度?！北热?，我站在電梯中，感受到電梯對我的支持力，這既有可能是因為電梯停在地球上，地球對我有向下的引力造成的，也有可能是電梯在茫茫宇宙中不受到引力，但是電梯向上加速造成的。想象一下，如果汽車猛地向前加速，你是不是會有推背感？

現在，空間站幾乎只受到地球引力，所以在空間站內部看，物體的表現就跟不受重力的環境一模一樣。因此，特技傍身的冰墩墩只會出現在太空中。回到地面上，這特技可就不靈了。

空間科學設施展露真容

·高微重力科學實驗柜

“天宮課堂”上，航天員葉光富打開一段此前拍攝的視頻。畫面中，他用手輕輕推動了面前的懸浮實驗臺。出乎意料的是，實驗臺沒有直接飄走，而是略微移動后又穩穩地回到原位。

懸浮實驗臺正是高微重力科學實驗柜的一部分，這一實驗柜能為科學實驗提供地面上難以實現的極限條件。

一般而言，空間站的微重力水平在10-5~10-3g。而在高微重力科學實驗柜研制中，中科院空間應用工程與技術中心的研究人員將微重力水平提升了2~3 個數量級，達到10-7g 水平，相當于這個實驗柜中的重力是空間站中的1‰。

懸浮實驗臺

為實現如此高的微重力水平，研究人員設計了雙層實驗系統，通過外層噴氣、內層磁懸浮的設計，讓實驗系統“懸浮”起來，從而最大限度地消除振動，完成微重力水平的極限挑戰。科學載荷安裝于內體上，隔離外部的各種擾動力。

在這個實驗柜里，科學家可以開展許多在引力環境下難以完成的實驗。比如，高精度的原子鐘需要冷卻銫原子，在微重力下更方便；還可以用來尋找引力波、驗證廣義相對論的等效原理等。感興趣的同學，可以自己去了解一下。

·無容器材料實驗柜

在介紹完高微重力科學實驗柜后，王亞平又向我們展示了通過無容器材料實驗柜進行的鋯金屬熔化與凝固實驗。一顆金屬小球懸浮在實驗腔體中，經過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環節后，實驗完成。

這便是無容器材料實驗。通常熔煉物質都需要使用容器承載熔體，往往會引入雜質，在熔體凝固過程中，會受器壁影響，生長出復雜的微觀組織形態。顧名思義，“無容器”就是不用容器承載，使實驗樣品在懸浮的狀態下完成熔煉，能夠抑制異質形核?？臻g站的無容器實驗樣品還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利于亞穩態材料和新型功能材料的開發制備。

科研人員基于先進的靜電懸浮技術，開發了這套全新的無容器材料實驗柜。目前，基于無容器材料實驗柜開展的科學項目正在進行中?？茖W家已經對一些樣品開展了深入研究，例如鋯的熔化、冷卻凝固過程的研究，并且取得了一些新發現。

今年，“問天”“夢天”實驗艙將陸續發射，上面會搭載更多的實驗柜。

無容器材料實驗柜

天地互動環節依舊精彩

實驗做完了，又到了同學們最感興趣的天地互動環節了。大家圍繞空間站的各種問題展開討論，交流自己的看法，抒發自己的獨特觀點，情緒高漲。在這里，就和大家講一講互動中同學們提出的兩個問題。

·空間站里流眼淚是怎樣的

在太空中，由于沒有重力，人的淚腺雖然能夠產生眼淚，但眼淚是流不出來的。如果淚腺持續產生眼淚，眼淚就會堆積，最后在眼睛中形成一個水球。這種情況在太空中是非常危險的，如果液體體積較大，容易影響到空間站里的電氣設備。所以，航天員一旦有了眼淚，就要盡快用毛巾吸干。

3 位航天員在和同學們進行互動交流

同學們認真聽航天員講課

·航天員的作息如何安排

在近地軌道飛行的載人航天器一般90 分鐘繞地球飛一圈，也就是說，一個晝夜的周期只有90 分鐘，白天、黑夜各有45 分鐘，24 小時內有16 個晝夜交替變化。為了保持在地球上形成的生命節律，航天飛行中仍以24 小時為周期安排航天員的作息時間，一般8 小時工作，2小時用餐，1.5~2.5 小時鍛煉，3.5~4.5 小時自由活動，8 小時睡眠。為了不使快速的晝夜節奏影響睡眠，睡眠時應戴上眼罩。更先進的辦法是用燈光亮度的變化來模擬地面上的晝夜節奏，以保證航天員能有很好的睡眠。

2022 年4 月16 日10 時許，“神舟十三號”載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安返回，感覺良好！飛行乘組在空間站工作生活了183 天，創下了中國航天員連續在軌飛行時長新紀錄。