專家解讀“天宮課堂”第二課：太空實驗背后的奧秘

↑3月23日，“天宮課堂”第二課開講，神舟十三號飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站進行太空授課。這是地面主課堂中國科技館內(nèi)的學(xué)生在聽講。新華社記者 郭中正 攝

新華社北京3月23日電題：專家解讀“天宮課堂”第二課：太空實驗背后的奧秘

新華社記者李國利、黃一宸

3月23日下午，中國空間站“天宮課堂”再度開課，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富演示了太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗等。

為什么要做這些科學(xué)實驗？背后蘊含著哪些科學(xué)奧妙？與人類探索浩瀚宇宙又有什么關(guān)聯(lián)？新華社記者采訪多位專家一一解讀。

↑新華社發(fā) 陳為 張子彧 陳聰穎 編制

實驗一：溫?zé)岬?ldquo;冰球”

【現(xiàn)象回顧】這一幕仿佛發(fā)生在“魔法世界”：透明的液球飄在半空中，王亞平用一根小棍點在液球上，球體瞬間開始“結(jié)冰”，幾秒鐘就變成通體雪白的“冰球”。王亞平說，這枚“冰球”摸上去是溫?zé)岬摹?/p>

【專家解讀】“太空‘冰雪’實驗實際上是過飽和乙酸鈉溶液形核、結(jié)晶的過程，過程當(dāng)中會釋放熱量。”中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張璐介紹，過飽和溶液結(jié)晶通常需要外界“擾動”，而這個實驗的“玄機”就在于小棍上沾有晶體粉末，為過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結(jié)核，進而析出三水合乙酸鈉晶體。

【延伸閱讀】在地面上進行結(jié)晶實驗時，晶體的樣子可能因容器形狀不同有很大差異。而在微重力環(huán)境中，晶體并不受容器的限制，可以懸浮在半空“自由生長”，這與中國空間站里的無容器材料實驗柜相呼應(yīng)。無容器材料實驗柜目前主要有兩個用途：一是實現(xiàn)材料在無容器狀態(tài)下從熔融到冷卻凝固的過程，供科研人員收集物性參數(shù)進行研究；二是用于特殊材料在軌生長，縮短新材料從實驗室走向流水線、走進大眾視野的時間。

實驗二：“拉不斷”的液橋

【現(xiàn)象回顧】葉光富將水分別擠在兩塊液橋板上，水球狀似倒扣著的碗。液橋板合攏，兩個水球“碗底”挨“碗底”；液橋板分開，一座中間細(xì)、兩頭粗的“橋”將兩塊板相連；王亞平再將液橋板拉遠(yuǎn)，液橋變得更細(xì)、更長，仍然沒有斷開。

【專家解讀】張璐介紹，微重力環(huán)境與液體表面張力是液橋得以成形的主要原因。日常生活中的液橋不易被察覺，比如洗手時兩個指尖偶然形成幾毫米液柱，再拉遠(yuǎn)一點就會受重力作用坍塌。而在空間站里，航天員輕松演示出比地面大數(shù)百倍的液橋，這在地面上是不可能看到的景象。

【延伸閱讀】液體表面張力是“天宮課堂”中的高頻詞，天宮一號太空授課、中國空間站首次太空授課做過的水膜、水球?qū)嶒灦缄U釋了這一原理。中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員康琦介紹，空間站可以最大限度擺脫地面重力影響，為包括液橋?qū)嶒炘趦?nèi)的流體力學(xué)研究創(chuàng)造了良好的條件。2016年9月15日，天宮二號空間實驗室?guī)е簶驘崦?xì)對流實驗項目升空。

實驗三：“分不開”的水和油

【現(xiàn)象回顧】王亞平用力搖晃一個裝有水和油的瓶子，讓水油充分混合，瓶中一片黃色。時間一分一秒過去，瓶中沒有發(fā)生任何變化，油滴仍然均勻分布在水中。葉光富前來助力，抓著系在瓶上的細(xì)繩甩動瓶子。數(shù)圈后，水油明顯分離，油在上層，水在下層。

【專家解讀】“我們都知道地面上油比水輕，平時喝湯的時候看到油花都習(xí)以為常。”中國科學(xué)院物理研究所研究員梁文杰說，然而在空間站中，情況卻大不一樣，水和油之所以“難舍難分”、長時間保持混合態(tài)，是由于在微重力環(huán)境下密度分層消失了，也就是浮力消失了。

“水油在天上成功分離的原因是，瓶子高速旋轉(zhuǎn)時類似離心機，可以理解為離心作用使得浮力重新出現(xiàn)了。”張璐說。

【延伸閱讀】科研人員可以借助微重力環(huán)境特性開展研究，例如利用密度分層消失，在微重力環(huán)境下向熔融合金中注入氣體，可以得到航空航天、能源和環(huán)保領(lǐng)域的重要材料——泡沫金屬。

與之相關(guān)的是，高微重力科學(xué)實驗柜能夠提供高微重力環(huán)境，其內(nèi)部微重力水平是空間站艙內(nèi)百倍到千倍，更接近真實宇宙空間；外部設(shè)計氣浮、磁浮兩級懸浮，減輕了空間站姿態(tài)和軌道控制機動產(chǎn)生的加速度、各類儀器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩和震動、航天員活動帶來的質(zhì)心變化和沖擊、太陽風(fēng)和稀薄大氣的擾動等干擾因素影響，能夠支持更為精密的科學(xué)實驗。

實驗四：翻跟頭的“冰墩墩”

【現(xiàn)象回顧】北京冬奧會吉祥物“冰墩墩”壓軸登場，迎來太空之旅的“高光時刻”。王亞平水平向前拋出“冰墩墩”擺件，一向憨態(tài)可掬的“墩墩”姿態(tài)格外輕盈，接連幾個“空翻”畫出了一條漂亮的直線，穩(wěn)穩(wěn)站在了葉光富手中。

【專家解讀】太空拋物實驗展示了牛頓第一定律所描述的現(xiàn)象。在空間站中，“冰墩墩”擺件被拋出后幾乎不受外力影響，保持近似勻速直線運動。“天宮課堂”地面主課堂授課老師、北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)物理教師張健介紹，地球人眼中物體運動的理想狀態(tài)，如今得以在太空中一探究竟。

【延伸閱讀】我們?yōu)槭裁匆_展在軌科學(xué)實驗？張璐介紹，目前正在進行的實驗項目，一是要揭示微重力環(huán)境下的特殊現(xiàn)象，屬于從科學(xué)角度認(rèn)識世界；二是通過在軌實驗助力地面科學(xué)研究，改進工藝水平；三是艙外有高真空環(huán)境、輻照、亞磁場等，這些特殊環(huán)境因素對生物體、材料、元器件等影響也是我們要研究的內(nèi)容；四是進一步探索未知領(lǐng)域，包括暗物質(zhì)探測、行星起源探索等。問天、夢天實驗艙發(fā)射升空后，還會有一大批前沿科學(xué)實驗陸續(xù)在中國空間站開展。