太空科學(xué)課（六）

2013年6月20日，在天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，神舟十號(hào)乘組航天員王亞平在聶海勝、張曉光的協(xié)助下，為地面的中小學(xué)生講授了一節(jié)太空科學(xué)課。在這堂50分鐘的課程里，王亞平先后展示了太空神功、質(zhì)量測(cè)量、圓周運(yùn)動(dòng)、陀螺實(shí)驗(yàn)、水膜與水球等物理實(shí)驗(yàn)，也講解了其中的原理。王亞平也由此成為中國(guó)首位“太空教師”。

我們用5期內(nèi)容帶著大家回顧了第一次太空授課的場(chǎng)景。細(xì)心的同學(xué)們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這些實(shí)驗(yàn)雖然效果神奇，但是其中的原理都并不陌生——至少在生活中我們經(jīng)常能遇到。太空實(shí)驗(yàn)主要是探尋在重力消失的環(huán)境下，一些物理定律會(huì)不會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論有沒(méi)有重力，物理定律都是永恒不變的，而且有時(shí)候因?yàn)闆](méi)有重力，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)更加清晰明了。像“太空神功”實(shí)驗(yàn)，在摩擦力微乎其微的太空中，牛頓第一定律可以非常直觀地體現(xiàn)出來(lái);單擺運(yùn)動(dòng)也是如此，地面的單擺運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)和重力共同作用下的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而在無(wú)重力環(huán)境下，小球的運(yùn)動(dòng)能清晰地體現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律、圓周運(yùn)動(dòng)、單擺運(yùn)動(dòng)和表面張力等概念，都是中學(xué)階段物理課程的必學(xué)內(nèi)容，太空課堂為同學(xué)們了解和掌握這些概念提供了非常直觀的幫助。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之后，王亞平向同學(xué)們簡(jiǎn)要介紹了太空科研的目標(biāo)：既可以開展基礎(chǔ)研究，也可以為應(yīng)用服務(wù)。

王亞平說(shuō)：“失重環(huán)境下，我們可以獲取到結(jié)構(gòu)更加均勻完整、尺寸更大的半導(dǎo)體晶體。”為什么要在太空中生產(chǎn)半導(dǎo)體晶體呢？因?yàn)檫@些晶體是用來(lái)制造芯片的。從手機(jī)、電腦到超級(jí)計(jì)算機(jī)，芯片無(wú)疑是數(shù)碼產(chǎn)品的大腦。而作為電子芯片的基礎(chǔ)，硅晶的質(zhì)量和尺寸直接決定了芯片的性能和成本。在失重的環(huán)境下，晶體可以生長(zhǎng)得更大更均勻，懸浮生產(chǎn)也能減少污染、提高品質(zhì)。晶體越大，可切下的圓形切片直徑也就越大，這樣由于邊緣裁切產(chǎn)生的損失就越小，可以大大節(jié)省成本。當(dāng)下芯片的生產(chǎn)成本高昂，在太空中制造半導(dǎo)體晶體或許正是解決這一問(wèn)題的好方法。

王亞平另外還提到了冷原子鐘的頻率穩(wěn)定度。原子鐘是一種非常精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)裝置，它利用原子內(nèi)兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷信號(hào)作為參考，可以獲取到高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。而冷原子鐘是用激光將原子降溫到接近絕對(duì)零度，盡可能減少能級(jí)躍遷可能受到的干擾。將冷原子鐘送上太空后，又減少了重力的影響，自然會(huì)獲得更高的精度。2016年科學(xué)家在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上裝置了世界上首臺(tái)空間冷原子鐘，它可以實(shí)現(xiàn)3000萬(wàn)年小于1秒的誤差。而在計(jì)劃發(fā)射的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙上，還會(huì)裝置一臺(tái)更高精度的冷原子鐘，預(yù)期誤差可以達(dá)到百億年小于1秒。

為什么科學(xué)家們?nèi)绱税V迷于時(shí)間的精度呢？用我們常用的衛(wèi)星導(dǎo)航舉個(gè)方便理解的例子：你的手機(jī)要想確定你此時(shí)的位置，至少需要同時(shí)和4顆衛(wèi)星通信，以此來(lái)計(jì)算自己的坐標(biāo)。然而這4顆衛(wèi)星與你的距離各不相同，信號(hào)的傳輸本身也需要時(shí)間，如果不把信號(hào)的傳輸時(shí)間考慮進(jìn)去的話，哪怕只有毫秒級(jí)的誤差，也會(huì)讓你的坐標(biāo)錯(cuò)得很遠(yuǎn)。在地球上尚且如此，假如我們未來(lái)進(jìn)行星際航行的話，導(dǎo)航需要的時(shí)間精度更高，那時(shí)真是“差之毫厘，謬以千里”了！

太空授課不僅具有向公眾傳播科學(xué)知識(shí)的意義，也是航天通信技術(shù)的體現(xiàn)。很多國(guó)家都開展過(guò)“太空課堂”，不過(guò)，像俄羅斯、加拿大、韓國(guó)和馬來(lái)西亞等國(guó)家的太空授課都是通過(guò)錄制視頻、返回地面后再播放視頻來(lái)完成的。能夠?qū)崿F(xiàn)天地連線實(shí)時(shí)授課的國(guó)家，目前只有美國(guó)和中國(guó)。

美國(guó)的第一次太空授課是在2007年8月15日，航天員芭芭拉·摩根通過(guò)無(wú)線電與18名學(xué)生進(jìn)行了交流和答疑。值得一提的是，摩根和王亞平也有交流：2013年6月13日，摩根向正在籌備課程的王亞平致信，信中寫道：“在你環(huán)繞地球并準(zhǔn)備從太空授課之際，我代表全世界的教師和學(xué)生向你致以問(wèn)候。我們?yōu)槟泸湴痢！?月20日，剛剛結(jié)束太空授課的王亞平立即從天宮一號(hào)發(fā)送了回信，她寫道：“親愛(ài)的芭芭拉·摩根女士，在遙遠(yuǎn)的太空收到您的來(lái)信，我和我的同事感到很高興，謝謝您對(duì)我們的關(guān)心和祝愿，對(duì)您為世界載人航天和教育事業(yè)做出的貢獻(xiàn)表示敬佩和敬意。今天，我們順利完成了太空授課活動(dòng)，與億萬(wàn)中國(guó)學(xué)生一起分享了太空的神奇和美妙，收獲了知識(shí)和快樂(lè)，希望您和世界各地的教師、學(xué)生看到后能夠喜歡。飛行期間，我經(jīng)常會(huì)通過(guò)舷窗遙望我們美麗的家園。太空寄托著人類美好的向往，知識(shí)是走向太空的階梯。我們?cè)概c您一道為開啟全世界青少年朋友熱愛(ài)科學(xué)、探索宇宙的夢(mèng)想共同努力。”兩位太空教師的交流突破了國(guó)界。

隨著我國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)空間站“天和”核心艙陸續(xù)升空，一代又一代的航天員不斷實(shí)現(xiàn)新的壯舉。2021年12月9日，在中國(guó)空間站里，再次執(zhí)行航天任務(wù)、擔(dān)任神舟十三號(hào)乘組成員的王亞平，又一次向全國(guó)的中小學(xué)生開展了太空授課。這一次授課向我們展示了哪些實(shí)驗(yàn)和內(nèi)容呢？