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的學生在聽講。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實驗？背后蘊含著哪些科學奧妙？與人類探索浩瀚宇宙又有什么關聯？新華社記者采訪多位專家一一解讀。

↑新華社發 陳為 張子彧 陳聰穎 編制

實驗一：溫熱的“冰球”

【現象回顧】這一幕仿佛發生在“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”摸上去是溫熱的。

【專家解讀】“太空‘冰雪’實驗實際上是過飽和乙酸鈉溶液形核、結晶的過程，過程當中會釋放熱量。”中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張璐介紹，過飽和溶液結晶通常需要外界“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核，進而析出三水合乙酸鈉晶體。

【延伸閱讀】在地面上進行結晶實驗時，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。無容器材料實驗柜目前主要有兩個用途：一是實現材料在無容器狀態下從熔融到冷卻凝固的過程，供科研人員收集物性參數進行研究；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、兩頭粗的“橋”將兩塊板相連；王亞平再將液橋板拉遠，液橋變得更細、更長，仍然沒有斷開。

【專家解讀】張璐介紹，微重力環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、水球實驗都闡釋了這一原理。中國科學院力學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，為包括液橋實驗在內的流體力學研究創造了良好的條件。2016年9月15日，天宮二號空間實驗室帶著液橋熱毛細對流實驗項目升空。

實驗三：“分不開”的水和油

【現象回顧】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，抓著系在瓶上的細繩甩動瓶子。數圈后，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以為常。”中國科學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，是由于在微重力環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，瓶子高速旋轉時類似離心機，可以理解為離心作用使得浮力重新出現了。”張璐說。

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

與之相關的是，高微重力科學實驗柜能夠提供高微重力環境，其內部微重力水平是空間站艙內百倍到千倍，更接近真實宇宙空間；外部設計氣浮、磁浮兩級懸浮，減輕了空間站姿態和軌道控制機動產生的加速度、各類儀器運轉產生的力矩和震動、航天員活動帶來的質心變化和沖擊、太陽風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實驗。

實驗四：翻跟頭的“冰墩墩”

【現象回顧】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，一向憨態可掬的“墩墩”姿態格外輕盈，接連幾個“空翻”畫出了一條漂亮的直線，穩穩站在了葉光富手中。

【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、北京師范大學第二附屬中學物理教師張健介紹，地球人眼中物體運動的理想狀態，如今得以在太空中一探究竟。

【延伸閱讀】我們為什么要開展在軌科學實驗？張璐介紹，目前正在進行的實驗項目，一是要揭示微重力環境下的特殊現象，屬于從科學角度認識世界；二是通過在軌實驗助力地面科學研究，改進工藝水平；三是艙外有高真空環境、輻照、亞磁場等，這些特殊環境因素對生物體、材料、元器件等影響也是我們要研究的內容；四是進一步探索未知領域，包括暗物質探測、行星起源探索等。問天、夢天實驗艙發射升空后，還會有一大批前沿科學實驗陸續在中國空間站開展。