你不知道的“天宮課堂” ——解讀史上最硬核太空授課

時隔八年，中國太空課堂再度開啟，同時這也是中國新空間站第一次太空授課。本次太空課堂內容極其豐富有趣，涉及物理、生物、化學、醫(yī)學等多方面的知識內容。這一課，受到了全世界的矚目，其意義和技術自然非同一般！

那么，問題來了，本次太空授課的八個實驗和展示都是什么原理呢？其背后又蘊含著怎樣的科學道理和應用呢？沉浸在“天宮課堂”興奮中的小伙伴們真的懂了嗎？我們不妨來細細解讀一番。

小小空間站，滿滿“黑科技”——航天員在軌工作生活場景展示

“航天員在太空怎么睡覺呢？”“太空哪里來的空氣呀？”“換下來的衣服洗不洗呀？”.......

帶著小朋友們的問題，我們一起來看看航天員在太空站中是如何生活工作的吧。

課程一開始，王亞平老師就帶著同學們參觀了航天員的休息工作區(qū)。原來，航天員的睡眠區(qū)是一個個“半封閉”的小隔間，床上有固定航天員的“安全帶”，透過舷窗，可以看到地球和外太空的迷人景色?？此菩⌒〉乃邊^(qū)，卻透著滿滿的溫馨。

來到生活區(qū)，映入眼簾的便是各種運動器械。原來，在太空中，由于沒有引力，人體的血液會往身體上端“涌”，因此航天員的臉看上去都“胖胖”的。此外，失重還會使肌肉萎縮，嚴重影響健康。于是“太空跑步機”、“太空自行車”等等便是為航天員們量身打造的運動器械，這些為宇航員設計的個性化運動方案也有個有趣的名字——運動處方。除了這些，宇航員們還有一個秘密武器，那就是“企鵝服”，它內部有束縛裝置，能幫助航天員保持肌肉的張力，起到對抗肌肉萎縮、減緩心血管功能下降的作用。太空廚房中，還有加熱器、飲水分配器、食品冷藏箱。正是有了這些“太空站黑科技”，宇航員們即使在太空也能吃到新鮮美味的蘋果。讓我們?yōu)樘照镜脑O計師們點個贊！

太空中的熒光舞者——太空細胞學研究試驗展示

“太空細胞學研究”似乎成了這次天宮授課最最難懂的實驗。很多朋友們不禁感慨：“這試驗是個啥呀？”、“聽名字就知道高大上！”那么，在中學生物課本上常常見到的“細胞”，到了太空中又會發(fā)生什么樣的奇妙變化呢？讓我們跟著葉光富老師一起來看看吧。

葉光富老師展示的失重條件下細胞生長發(fā)育研究。在研究區(qū)域，有醫(yī)學樣本制備裝置，里面能保持一定的溫度和氣體濃度，給細胞培養(yǎng)提供適宜的環(huán)境，當細胞培養(yǎng)到了一定程度時，便可以取出觀察。這時，便需要用到醫(yī)學樣本顯微觀察裝置，內置顯微鏡配合計算機軟件可以對細胞生長發(fā)育進行實時觀察和分析。試驗時，分別將細胞置于人工制造的地球重力加速度環(huán)境下和太空站的微重力環(huán)境下進行培養(yǎng)，并對它們的生長條件和形態(tài)等進行對比研究。此外，航天員老師們還展示了細胞由于自身生物電在熒光下閃閃發(fā)光并不斷跳動。沒想到，小小的心肌細胞在太空卻能化身成美麗的舞者。那么，這項“高大上”的研究意義何在呢？

事實上，早期就有科學家提問，空間中微重力環(huán)境下細胞會不會不受拘束、任性生長？因此，太空細胞學對研究未來人類長期太空生活有著特殊的價值，它對生物醫(yī)學的發(fā)展也帶來了無限可能！

空間站中上演“花樣滑冰”——太空轉身實驗

地面上，我們雙腳觸地，能很容易地轉身；在水中，我們做著劃水的動作，便能輕易地向前游動，然而太空中也一樣嗎？

在太空轉身的實驗中，航天員老師在漂浮的狀態(tài)下分別做著轉身和劃水的動作，卻不能像在地球上一樣成功實現。這是為什么呢？事實上，物理學上把這兩種現象分別叫做角動量守恒和動量守恒。在太空漂浮的物體，因為沒有外力的作用，物體各個部分的角動量之和與動量之和均不會改變。

細心的同學們可能會發(fā)現，航天員老師在漂浮的狀態(tài)下，做轉身運動時，上身轉動的方向總是和下身轉動的方向相反。這是因為航天員老師處于漂浮狀態(tài)，上身和下身的角動量方向必須永遠相反，才能保證角動量守恒，因而無法轉身。而當航天員老師做劃水動作時，因為動量守恒，自身的速度無法改變，因此無法向前運動。小伙伴們可能會問：為什么當航天員老師右手加速繞圈時，身體就能不斷地發(fā)生旋轉呢？這是因為當右手加速繞圈時，其角動量的方向會與身體角動量的方向相反，因此身體便會向著反方向轉動，這樣一來便成功的實現了轉身的動作。最后，航天員老師展開雙臂以一個速度進行旋轉，當收緊雙臂時，手臂圓周運動的半徑減小，為了保證動量守恒，身體的轉速就會增加?；踊倪\動員能夠飛速旋轉就是這個原理。

事實上，航天員在空間站中的行動是十分困難的，因為漂浮在空中，無論是轉身還是前進都需要借助空間站倉壁的扶手。這看似簡單的實驗背后卻蘊含著牛頓力學中的原理，小伙伴們看懂了嗎！

本次太空授課，“水”似乎成了主角，讓我們一起來看看水在太空站會發(fā)生怎樣奇妙的變化吧！

浮力怎么不見了？——浮力實驗消失

熱氣球為什么能上升，萬噸巨輪為什么浮在水面，這都是浮力在起作用。可是太空中，浮力怎么就“失效”了呢？

太空中，航天員老師在杯中注滿水，利用乒乓球進行實驗，浮力卻神奇的消失了。原來，浮力產生的根本原因是物體的上下表面在水中深度不同，液體在物體的上下表面作用形成了壓力差，而液體內部壓強的來源是重力。在初中課本上，我們就學過，液體內部某點處的壓強=液體密度×重力加速度g×某點到液面處的豎直高度。然而，在太空站的失重環(huán)境下，重力加速度g變?yōu)榱悖瑝簭姴畋銜?，浮力也就自然而然地“失效”了?/p>

水中綻放的花朵——水膜張力實驗

水中也能“開花”？

水膜張力實驗中，王亞平老師做好水膜后，拿出了一個花朵折紙并小心翼翼放在水膜上。令人驚嘆的現象出現了——花朵居然在晶瑩剔透的水膜上慢慢地“開放”了。

原來，紙花的“開放”是由于水膜張力。那么到底什么是水膜張力呢？水膜張力的物理本質是液體的表面張力，由于液體表面分子間“引力”作用，液體便會產生使表面盡可能縮小的力，這個力稱為“表面張力”。放在水膜上的紙花，由于受到這種力的拉扯，自然就慢慢地“開放”了。

事實上，表面張力的現象在生活中處處可見。清晨凝結在葉片上的露珠、天冷時窗戶上凝聚的水滴，都近似球狀，這都是在表面張力的作用下形成的。此外，蜻蜓、水黽等昆蟲之所以能“站”在水面，也都是表面張力的作用，并非浮力。

水膜竟成“放大鏡”——水球光學實驗

“好神奇，水球里看到人像，為啥一正一倒呀？”太空授課的水球光學實驗，讓觀眾們直呼“神奇”。原來，水球成像一正一倒的“秘密武器”便是水球中的氣泡。

當航天員老師向往水球中打入一個氣泡后，因為浮力和重力的消失，氣泡不會向上飄，而是老老實實待在水球中，水球因此便被氣泡分為了兩部分，中間是打入的“空氣球”，周圍卻是一層“水球殼”。此時，整個水球就變成了兩個透鏡，外圈成為了一個凸透鏡，呈現出一個倒立的像。內圈相當于變成了兩個凹透鏡的組合，這個時候又出現了一個正立的像。因此可以在水球中同時看到一正一倒的兩個像。

其實，透鏡在生活中的應用有很多。我們知道凹透鏡可以發(fā)散光線而凸透鏡可以匯聚光線，將它們以不同的形式組合，便可以發(fā)揮不同的作用。我們經常用到的眼鏡片、望遠鏡、照相機鏡頭等等，本質上都是光學透鏡在發(fā)揮作用。

太空中的歡樂球——泡騰片實驗

泡騰片在生活中再常見不過了，一片入水，氣泡“咕嘟咕嘟”從水面涌出。然而在太空站中，氣泡卻只能乖乖呆在水球中，究竟是什么神奇的力量“束縛”住了它們呢？

原來，實驗“泡騰片水球”也和浮力有關。在地球上，泡騰片產生的氣泡會受到浮力的作用，不斷上浮，從而涌出水面。而在空間站中，因為失重環(huán)境下浮力消失，氣泡便會停留在原地。由于液體表面張力的作用，水球仍會保持球形，但泡騰片產生的氣泡會將水球不斷“吹大”。

空間站中的四個實驗都跟“水”有關，用水做實驗，與地球上的對比效果更好，水在空間站中也容易獲得。其實，這些神奇的實驗現象本質上還是由于空間站中沒有重力的作用，浮力消失，表面張力的效果便會更加明顯。事實上，水是航天員的生命之源，空間站上所有的水都是循環(huán)使用的。太空站中加了墨水的藍色“歡樂球”，是不是像極了我們美麗的地球呢！

天鏈“母港”搭建信息“天路”——天地互動交流

此次的“天宮課堂”堪稱史上最硬核的太空授課。45分鐘的課堂里，坐在教室中的同學們與數百公里外太空站中的航天員老師互動交流。細膩的畫質，清晰的圖像，流暢的語音……無不讓全世界的人們?yōu)橹潎@！那么，天地互動交流究竟是怎樣實現的呢？

原來，此次天地授課是基于我國天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展，艙內采用多臺高清攝像機通過中繼高速鏈路將高清視頻實時傳送至地面，地面上行兩路高清圖像送至艙內顯示器，從而實現雙向視頻傳輸。

此外，為了確保授課順利實施，研制團隊對授課過程、天地協(xié)同程序進行了多次全流程協(xié)同演練。授課過程中地面工作人員實時監(jiān)視空間站上各設備狀態(tài)，同時監(jiān)測天地鏈路狀態(tài)，確保參與授課的所有設備工作正常，為航天員太空授課提供硬件保障。

“天宮”授課——祖國的航天夢

航天員老師王亞平曾說過：“飛天夢永不失重，科學夢張力無限！”太空授課的成功，不僅僅給全世界的孩子們上了生動的一課，更是向全世界展示了中華民族實現偉大復興的雄心壯志。讓我們攜手并進，共同為祖國的航天夢、為偉大的中國夢努力奮斗！

作者 | 劉玉柱 南京信息工程大學教授、博導；江蘇省科普作家協(xié)會會員

俞文杰 南京信息工程大學