NASA的“周六科學(xué)實驗”課

□ 蔣迅

中國航天員王亞平在太空授課，轟動大陸，中國教育部表示，大約有6千萬學(xué)生和教師觀看了這次太空授課。“神十”任務(wù)的這一亮點，也成為中國教育的一個亮點。

2002年11月，佩蒂特在國際空間站上載人航天的任務(wù)之一就是教育下一代。美國航宇局（NASA）在太空授課已經(jīng)有很多年了。在過去的幾十年里，美航宇局曾經(jīng)從美國中小學(xué)教師里選拔了四位航天員。他們在美國青少年中產(chǎn)生了巨大的影響。本文要介紹的“周六科學(xué)實驗”是美航宇局的科學(xué)家航天員佩蒂特進行的。佩蒂特出生于1955年。1978年在俄勒岡州立大學(xué)獲得化工學(xué)士學(xué)位，繼而在1983年獲得亞利桑那大學(xué)化工方面的博士學(xué)位。在1996年被選為美航宇局航天員之前，他是洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家。佩蒂特從來沒有當(dāng)過老師，而且該局也從未計劃讓他進行太空授課。他當(dāng)時是作為第6宇航組成員來到國際空間站進行長達數(shù)月的工作的。在空間站，他平時有很緊張的科學(xué)實驗工作和組建國際空間站的任務(wù)。但在周末休息期間，航天員們多少有點空閑時間。他的同伴會看電影、讀書或彈奏樂器，而他偶然發(fā)現(xiàn)在空間站里有一本1911年出版的書《肥皂泡》，這本書引起了他極大的興趣：這些肥皂泡在空間站里會是什么樣子呢？出于自己的好奇心他想做一些自己設(shè)計的微重力實驗。

佩蒂特準(zhǔn)備了一些肥皂液和甘油，又用細(xì)細(xì)的線圈制作了一個泡泡棒。他的線圈的直徑可以從3.5厘米到15厘米，為的是觀測不同表面積下薄膜的性質(zhì)。一切道具就備，他可以開始實驗了。

這時佩蒂特突然想到，何不先用水做一次實驗?zāi)兀克阎睆?厘米的泡泡棒插入一個燒杯中然后再拉出來。他發(fā)現(xiàn)一個薄薄的水膜在泡泡棒上形成了。他回憶到：“我從來沒有親眼看到過這么大的水薄膜。”他用手搖動這個線圈，發(fā)現(xiàn)這個水膜很穩(wěn)固。讀者不妨親自做一個這樣的實驗：制作一個直徑大于1厘米的線圈，然后放入純凈水中。不管你使用什么辦法，都不可能讓水橫跨在你的線圈上。而且任何水膜都很脆弱。輕輕地吹一口氣就可以把它吹破。而佩蒂特的線圈直徑甚至達到了11厘米，水膜仍然很穩(wěn)定。“就像是一塊橡皮，”他驚嘆到。“它們可以承受各種機械運動。”

為什么空間薄膜會如此牢固呢而在地面上卻不行呢？這要說到表面張力的概念了。通俗地說，表面張力就是使得水面上的小蟲子疾步奔走而不會下沉的那個力量。它是一種在任何潮濕的表面上的有彈性的抗?jié)B透的“皮膚”。這個皮膚的存在是由于水分子帶電。一個水分子的正極被另一個水分子的負(fù)極所吸引，它們集體就形成了這樣的皮膚。而這種凝聚力在水的表面達到最大。當(dāng)然這個凝聚力量，或者說表面張力在空間和在地面是一樣的。不同的是地球引力與表面張力的對抗。在空間的微重力環(huán)境里，水膜在線圈的中間部分不會因重力而下垂。表面張力就成為了主要作用力，于是水膜就變得非常牢固。有的水膜保持達12小時之久，中央部分的位移可以達到好幾個厘米。

佩蒂特又把一點點帶顏色的液體注入到薄膜上，這樣他就可以觀測到原來不易看到的流動和漩渦現(xiàn)象。有些形狀就像是螺旋星系，并能保持4小時之久。

在泡泡棒上形成的水膜

下面該是涂顏色了。佩蒂特用了四種食物顏色：紅、藍(lán)、綠和黃色。他用一個帶有一個尖嘴的注射器將四種顏色注入到薄膜上。一開始，這四種顏色只是停留在注射的地方，既沒有對流也沒有擴散。他又在這四個部位上輕輕地吹一口氣。他看到液體的流動。但是當(dāng)他停止吹氣后，流動立即停止。過半個小時之后，他再次觀察他的薄膜，他發(fā)現(xiàn)那塊顏色都出了毛邊。“這就是擴散現(xiàn)象”，他解釋到。當(dāng)他再次吹氣后，毛邊被清晰的邊界所代替，對流再次占了主導(dǎo)地位。他開始晃動線圈，他看到這些顏色繼續(xù)流動，但一直保持連續(xù)性。最終，所有的顏色都混合到了一起，變成了一片看上去比較偏綠的薄膜。他開玩笑說：“我相信，我們發(fā)現(xiàn)了宇宙的真實顏色！”

給學(xué)生講自己的親身經(jīng)歷

給薄膜注入四種顏色觀察變化

沒想到這些實驗在播放之后引起了重大反響，竟然引得大群美國人每個星期六雷打不動地等待他的實驗。因為這些視頻不僅是在星期六做的而且是星期六在美航宇局電視頻道里播出的，所以被稱為“周六科學(xué)實驗視頻”。這些實驗以流體實驗為主，也有一些固體實驗和機械實驗。每個都不復(fù)雜，也都只有幾分鐘，但能夠給人留下深刻印象。后來佩蒂特返回地球后又進行了后期制作。大家可以在YouTube上找到這些視頻。視頻的鏈接可以在本人的科學(xué)網(wǎng)博客上找到。

2011年，佩蒂特又參加了“第30宇航組的太空之旅”。在國際空間站里他進行了更多的實驗。這些實驗作為“周六科學(xué)實驗”的后續(xù)被稱為“離開球面的科學(xué)”。同樣，這些實驗是在他休息時間里進行的。其視頻可以在美國物理學(xué)會的網(wǎng)站或優(yōu)酷網(wǎng)上找到。相比“周六科學(xué)實驗”，這些實驗更有深度，更有意思。

“舞蹈的水滴”實驗讓人們看到了水珠圍繞著筷子跳舞。這個實驗一定要看。水珠就像行星圍繞太陽運轉(zhuǎn)，但它們的原理卻完全不同。想知道為什么嗎？“干杯的航天員” 實驗讓人們目睹了在空間站里的奇怪水杯。知道嗎，這個杯子還是經(jīng)過數(shù)學(xué)家的嚴(yán)格推導(dǎo)后才發(fā)明出來的呢。如果讀者覺得這個難了點的話，不妨考慮一個相對簡單一點的問題：為什么不能在失重環(huán)境里使用常規(guī)的水杯？“薄膜物理”實驗聽起來與“周六科學(xué)實驗”中的實驗沒有太大的不同，其實它更讓人意想不到。讀者能看到水膜能把水珠彈出，還能收回，能讓水珠穿過，也能把水珠彈回。其實就是水啊，沒有了重力的影響，行為竟然如此不同。驚奇還沒有結(jié)束。緊接著的“透鏡與旋渦”實驗更引人入勝，它揭示了流體粘性和渦流的關(guān)系。在地面上可以想想攪拌蜂蜜會是什么樣子。再給你一個大水泡，再向其中間注入一個水珠，這兩個水珠會是什么關(guān)系？如果人們想讓氣泡轉(zhuǎn)動起來，我們該怎樣做？“反氣泡的樂趣”會告訴你。在看這個實驗之前，不妨再想象一下，在中間的小氣泡會有什么行為？再下面一個研究是完全不同的：“紅外線下的地球”。讀者可以看到地球上不同地區(qū)在紅外線下是什么樣子：植物呈現(xiàn)紅色，城市呈現(xiàn)灰色。佩蒂特偶然發(fā)現(xiàn)了一個廢棄的音箱，于是有了“空間聲波”、“粘稠的淀粉”和“迪吉里杜管”實驗。佩蒂特還用樂高玩具（對空間站上有樂高積木！）制作了一個發(fā)電機，然后連在一個電鉆上，產(chǎn)生的電壓可以達到三萬伏，但佩蒂特卻沒有被電擊到。不信的話，請看“樂高發(fā)電機”實驗。佩蒂特還把它搞笑地稱為“1.21樂高伏特”。在時鐘環(huán)境里，如果一個充滿水的氣球突然被一根針扎破，你會看到什么狀況？為什么？到“空間的充水氣球” 實驗里去找答案吧。“彈簧理論”實驗更像我們在實驗室里的物理實驗。佩蒂特希望在失重的條件下用彈簧來測量三個不同大小螺母的關(guān)系。看看他是如何設(shè)計這個實驗的。“空間吹水球”實驗觀測的是在失重環(huán)境里水球面對波動的反應(yīng)。“空間溜溜球”更像是雜技，但你能發(fā)現(xiàn)這個實驗與現(xiàn)在時髦的衛(wèi)星系繩技術(shù)的關(guān)系嗎？

佩蒂特是航天飛機STS-126飛行任務(wù)工程師，兩次國際空間站任務(wù)航天員和一次南極遠(yuǎn)征隊員。2013年，佩蒂特被美國政府授予“美航宇局工程師年度獎”。

對大自然的觀察，它無論多么貌似神秘，每次的新發(fā)現(xiàn)就像從知識洋蔥上又剝下一層。它誘發(fā)了你的想象力，在你剛剛剝下的一層下面一定還有更誘人的一層。問題是，你會是去剝下那下一層知識洋蔥的人嗎？