太空科學課（五）

第一次太空授課的最后一個實驗，是關于水的。王亞平先做了一番鋪墊：“如果詩人李白在‘天宮’中生活，大概他就寫不出‘飛流直下三千尺’的詩句了，因為在失重的狀態下，根本就不可能會‘飛流直下’。”接下來，她拿出一個飲水袋，從里面擠出一些水。只見飲水袋中的水不但沒有從吸管口流下，反而在管口處聚集起來，形成了一個小水球。這個小水球貼著吸管滑動幾下，后來干脆脫離吸管，在空中飄浮起來！

太空中的水不會掉落，這是因為失重。可是，為什么飄浮的水偏偏聚成了球形，而不是其他形狀呢？這就要提到一個概念——“表面張力”了。

什么是表面張力呢？我們知道，物質都是由非常小的顆粒——分子構成的，分子之間具有一定的吸引力。以水為例，水分子之間互相吸引，就可以把水聚集起來，形成液體。但是在水的表面，情況就不一樣了，處于水面位置的水分子內側是吸引力強的其他水分子，而外側則是密度較低、對水吸引力很小的空氣分子，這就會形成一股指向內部的力——表面張力。表面張力總是會傾向于收縮液體的體積，或者說是要盡可能減少液體的表面積。在我們的日常生活中，經常會看到一些現象，例如將水滿滿倒入杯子，水面高出杯口也不會外溢;關閉水龍頭后水滴懸而不落;還有水黽等昆蟲可以在水面上自由活動……這些現象都是由水的表面張力造成的。

不過，在地面上，由于液體受到重力的影響遠遠大于表面張力，因此重力會把液體拉扯得沒有固定形狀。而在失重環境下，表面張力終于成了主角，會盡可能地將液體的表面積拉到最小，讓液體變成球形。

水滴實驗之后，王亞平又拿出一個金屬圈，將它放入裝滿水的水袋后再取出，金屬圈中形成了一個水膜。無論是晃動金屬圈，還是在水膜上放一個中國結，都不會破壞水膜，這也都源于表面張力的神奇作用。王亞平不斷地向水膜注水，最終水膜變成了一個水球。這個水球宛如一個凸透鏡，透過水球我們可以看到倒立的王亞平的影像。而且，在向水球內注入空氣后，空氣并不會像在地面上那樣向上運動，而是在水球中形成了一個空氣球，繼續讓水保持著最小的表面積，只不過這次由外表面積變成了內表面積。

空氣泡的原理并不復雜：在地面上，當我們向水中注入空氣之后，密度比水低的空氣會受到浮力，從水中冒出來。浮力的本質與壓強息息相關，水下每個位置的壓強都不同，越深的位置壓強越大。當我們把密度更小的物體放入水中之后，物體下方受到的壓強比上方受到的壓強更大，這個向上的壓力差就會把物體“推”出來。而身處宇宙的天宮中沒有重力，水球內部各處的壓強是一樣的，形成不了壓力差，空氣也就不會冒出來了。

表面張力實驗的最后，王亞平向水球中注入一些紅色液體，我們可以清楚地看到紅色液體在水球內慢慢擴散，直到將整個水球染成紅色，這是典型的擴散現象。物質有一種特性，會從濃度高的地方向濃度低的地方轉移。物質是由分子構成的，但是可以自由移動的分子并不喜歡擠在一起，而是希望盡可能地互相遠離，最終變成均勻分布的穩定狀態。除了很難見到的固體之間的擴散，固體向液體、氣體的擴散，液體、氣體之間的擴散現象都是非常常見的：春暖花開時我們可以聞到花香，烹飪的時候加入調味料讓湯汁更鮮美，這些都屬于擴散現象。在地面時，我們向一杯清水中加入色素，也會把整杯水染色，這個實驗在太空和地面并沒有什么差別。

到這里，首次天宮授課的實驗部分就全部結束了。隨后，王亞平向地面上的同學們簡要介紹了太空科研的意義，并開始了和他們的天地問答環節。

這些問答中還藏著哪些科學原理呢？