揭秘“天宮課堂”實驗背后的科學

3月23日，在新疆烏魯木齊市第七十中學，學生觀看王亞平在“天宮課堂”上進行液橋演示實驗。當日，“天宮課堂”第二課開講，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站再次為廣大青少年帶來一堂精彩的太空科普課。這次太空授課活動在中國科技館設地面主課堂，在西藏拉薩、新疆烏魯木齊設2個地面分課堂。新華社記者 丁磊 攝

3月23日，第二次“天宮課堂”如約登場。翟志剛、王亞平、葉光富三位“太空教師”，用精彩的實驗演示、詳細的科學實驗設施講解、與地面課堂青少年的互動，為“神十三”乘組的太空授課畫上了完美的句號。

為何能“點水成冰”

航天員首先帶來了魔術般的“點水成冰”實驗。航天員把孩子們常用的小玩具——毛根變成了“魔法棒”，向懸浮于空中的液滴上一點，毛根點到的地方立刻生長出白色的晶體，并很快就從一個透明的大液滴變成了白色“冰球”。更有趣的是這個“冰球”摸起來不但不涼，反而還熱乎乎的，為什么呢？

秘密就在液體的成分上。與上次太空授課中王亞平用飲用水制作的水球不同，這次的液滴是醋酸鈉的過飽和溶液。醋酸鈉在熱水中的溶解度很大，冷水中則要小得多，當大量醋酸鈉溶解在熱的純凈水中后再慢慢冷卻，醋酸鈉溶液就會進入過飽和狀態。然而，因為缺少結晶的另一個必要條件——凝結核，于是溶液處在一個很不穩定的過臨界狀態。當毛根給液體的這種不穩定平衡狀態施加一個擾動時，平衡被打破，液體中產生一些局部缺陷為結晶提供了凝結核，于是液滴便迅速結晶。與一般的過飽和溶液只是將多出的溶質析出結晶不同，醋酸鈉在結晶時會帶著水分子一起，形成水合的醋酸鈉晶體。這意味析出結晶的同時，溶劑也在減少。控制好醋酸鈉和水的配比時，讓幾乎所有的水分子與醋酸鈉發生水合，就能讓液體完全結晶成為固體，實現點水成冰的效果。

和水在結冰時會放出熱量一樣，醋酸鈉溶液在從液態結晶成為固態時，也會放出一定的熱量（物理學家常稱之為“相變潛熱”），所以那個“冰球”會顯得熱乎乎的。生活中有一種熱敷用的液體袋，用力掰里面的一個小鐵片時，液體會迅速變成固體同時發熱，同樣是利用過飽和醋酸鈉結晶時的放熱。而且這個過程是可逆的，把袋子放進熱水中加熱，里面的固體還能重新變回液體，可以重復使用。后面展示的無容器實驗柜中，金屬鋯在從液體變成固體時的“再輝”現象，也是因為釋放相變潛熱而猛然重新變熱而產生的。

液橋是座什么橋

第二個液橋實驗則是流體研究的一個重要的基本實驗，可以研究溫度、密度等引起的毛細流。液橋就是附著在兩個固體表面之間的液體，在表面張力的作用下形成一個液體柱。可是因為我們身處的地面上，液體的表面張力難以抵抗重力，很難形成長且穩定的液橋。筆者曾利用給純凈水加高壓電場的方式，通過水的極化提供附加極化力在地面上嘗試制作更長的液橋，在幾萬伏特的高壓下形成的液橋也只有約1毫米直徑和約1厘米的長度。

在太空當中重力的影響消失了，液體的表面張力只需要維持液柱形狀，于是我們看到航天員很容易就用兩塊固體的板子制作出了又粗又長，而且十分穩定的液橋。在“天宮二號”上就曾搭載過利用液橋來研究熱毛細對流的科學實驗裝置。

物理學界有這樣一個傳說，量子力學的奠基人之一沃爾夫岡·泡利在臨終前留下這樣一句話：“當我見到上帝時，我會問他兩個問題。第一，相對論是怎么回事？第二，湍流是怎么回事？我相信上帝會給我第一個問題的答案。”描述流體的內維爾-斯托克斯方程至今還是世界六大未解數學難題之一，有關流體還有許多人類不了解的事情。太空中的微重力環境可以讓地面上被重力掩蓋的一些流體的行為和性質表現出來，我們從而可以揭示出更多有關它的性質和規律。

太空水油如何分層

第三個水油分離的實驗向我們展示了太空中如何獲得“人造重力”的方法。因為油和水不互溶，通過搖晃讓油破碎成小滴后會形成乳濁液。地面上因為浮力的作用會讓油滴上浮重新分層，而空間站微重力環境下浮力也隨之消失，水中的油滴就像上次太空授課中的氣泡一樣留在原位。要想讓它們重新分開，就可以用旋轉的方式，利用“慣性離心力”來模擬重力。太空實驗柜中的離心機就是類似的工作原理。

反過來看，太空中水油不分層的狀況會帶來一種優勢。如果我們要制造一種合金，這就需要不同的金屬充分混合。然而地面上不同金屬密度不同，混合時受到重力影響難免出現不均勻的現象，但在太空微重力環境下，就有可能得到近乎完美的合金。

冰墩墩為何做勻速直線運動

第四個太空拋物的實驗看似簡單，真正要理解它卻需要清晰的物理圖像，不是件容易的事情。首先就需要理解空間站的微重力環境是怎么來的？空間站的微重力并不是讓重力真的消失了，而是因為空間站是一個圍繞地球高速旋轉的旋轉參照系，用物理學的語言說就是一個非慣性參照系，力學規律在非慣性系當中成立的條件是必須對非慣性系進行修正。修正方法是引入一個和非慣性系加速度方向相反的假想力，也稱慣性力，對于空間站而言就是一個與重力方向相反的“慣性離心力”，在空間站參照系中地球引力和慣性離心力幾乎相互抵消，才讓拋出的冰墩墩近似達到“合外力為零”的條件，從而表現出相對空間站的“勻速直線運動”。

如果站在地面這個慣性參考系上看冰墩墩時，它只受一個重力作用，其實是在不斷下落的，只是它隨飛船和航天員一起在以約8千米的速度向前飛奔，下落的同時作為一個球體的地球表面也在同步不斷向下“彎曲”，于是看起來它與地面始終保持幾乎相同的高度。衛星、空間站甚至月亮都只受到地球的引力作用（在地球參考系中，忽略太陽和其他行星引力的影響），卻沒有落到地面，都是相同的道理。

第一次太空授課以興趣激發為主，第二次授課適當減少了演示科普實驗的內容，而詳細介紹了中國空間站上搭載的科學實驗柜和其正在進行的科學實驗，讓大家更深入地了解了作為國家太空實驗室的空間站上的科學研究工作，為科學夢指引方向。未來，讓“天宮課堂”在孩子心中種下的種子，植根于科技創新的沃土，能夠開花、結果。

（作者系北京交通大學物理科學與工程學院副教授、中國科技館科普講師團副團長、太空授課科普專家組成員）

標簽： 太空授課 科學實驗 非慣性系