復盤“天宮課堂” 遇見科學之來處

文／本刊記者 史詩

凝結航天科技專家小巧思的“企鵝服”，熒光下一閃一閃跳動的細胞，太空轉身的五種“擰巴”方式，美不勝收的水膜實驗……相信在12月9日的“天宮課堂”上，很多人體驗了一場神奇科幻之旅。

然而，一場60分鐘的科學課并不解渴。

“感覺良好乘組”的三位航天員在為我們帶來這些“驚嘆號”的同時，也激發出很多人的好奇心：如果在地球上重現這些太空實驗，會是什么效果？還有哪些類似有趣的實驗？

12月12日，科技日報社邀請神舟號飛船首任總體副主任設計師李頤黎、太空授課科普專家組成員陳征博士在北京市八一學校開設“天宮課堂”“提高班”，講述航天人的追夢歷程，全面復盤科學實驗，把現場觀眾心中還有的問號一一拉直。

如果太空開舉重運動會，舉起地球不是夢！

“暢想一下，如果我們在太空開運動會，哪個項目可以破紀錄？”陳征首先發問。

“跳高或跳遠！”“標槍！”“射擊！”同學們爭先恐后地回答。

“我最想破舉重項目的記錄，甚至想舉起地球！”陳征告訴大家，在太空中，舉重是比較容易實現的。

陳征還表示，雖然空間站處于微重力環境，人人身輕如燕，可同時失去了地面摩擦力提供的向前的動力，因此人在太空中行走會寸步難行。這讓許多以為在太空中可以因為身體變輕而跑得更快的同學大呼意外。

一番互動之后，陳征拿起常平架陀螺為大家講解。“高速旋轉時，陀螺具有定軸性，不管如何轉動常平架，陀螺始終保持一個方向。”陳征進一步解釋，假設為陀螺儀指定一個方向，在任意時刻，我們只要對比和陀螺儀軸方向的夾角，就能確定當前方向。這就是陀螺儀導航最核心的原理。

除了大眾熟悉的GPS導航，基于慣性導航系統，陀螺儀可以不受信號變化時刻工作，起到導航作用。也就是說，無論是在地面、海上、空中甚至是深海、地下的平臺，搭載上它都可以隨時隨地知道自己身在何處。

要向“喵星人”學習角動量守恒

“天宮課堂”結束后，應該連葉光富老師自己都沒想到，他已憑借“左瑤右扭”出圈，成為中國站得最高的“太空轉身模特”了。

陳征說，太空轉身實驗的核心關鍵詞叫做角動量。角動量是描述物體轉動的物理量。

本次“提高班”中，陳征當起了“地面模特”，站在一個可以自由旋轉的轉臺上，在沒有外力矩的情況下，上半身向左，下半身就會不由自主地向右。這是角動量守恒在生活中一個簡單直觀的表現。

陳征還特別提到了貓咪落地的過程。貓咪在空中時，能把身體圈起來后再扭轉伸開，過程中身體不會固定在一條直線上，在保持角動量守恒的同時完成翻身，所以貓咪始終是腳先著地。

那么，我們如何像“喵星人”一樣，在保證角動量守恒的情況下優雅轉身呢？陳征親自上陣，在轉臺上展示了如“自由泳”式的有趣姿勢，果然轉動了起來！“雖然我比較胖，姿勢也不好看，但這個動作是非常有效的。”陳征笑稱。

接著，為了呈現一個更為簡單的轉身方式，陳征又拿起一個旋轉的車輪，雙手緊握，伸直雙臂，也能輕松轉起身來。

神奇過癮的“水”實驗

敲黑板！認真聽講的同學一定還記得，當王亞平老師將乒乓球放在盛有水的杯子中時，乒乓球始終不能浮起來。這是因為太空微重力條件下，液體內部壓強處處相等，也就不再有上下表面壓強差而產生的浮力。換言之，如果在太空中將一個鐵球放在水面，它也不會沉下去。

這次，陳征做起相同實驗，乒乓球輕松浮起。這驗證了重力和浮力同時存在。“在空間站的微重力環境下，因為每一部分水都不需要承載它周圍的水，都是飄在空中的。因此，太空中水杯里的水的壓強是一樣的，放入乒乓球，力相互抵消，浮力也就消失了。”陳征說。

接下來，陳征又“變”出一個水槽，做出了一個長方形“泡泡”。他告訴大家，我們習慣將洗手液、洗潔精、肥皂液等加入水中制成水膜，由于這些表面活性劑能夠降低水的表面張力，在太空中，水珠沒有了重力的干擾，借助固水環，水就容易形成薄膜。這就是“液體表面張力”的知識點，受到內部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內部的趨勢，導致表面就像一張繃緊的橡皮膜，這種促使液體表面收縮的繃緊的力，就是表面張力。

為了復盤“水球光學”實驗，陳征用筆在紙上畫出一個向左的箭頭，將裝水的燒杯放在紙片前面，當水漫過箭頭，神奇的事情發生了，水杯里的箭頭調轉了方向！陳征解釋道：“這個實驗類似太空中的‘雙重人像’，凸透鏡在2倍焦距之外可以呈現倒立的實像。”

為了在地面上重現“雙重像”的神奇之處，陳征拿起空試管，制造了一個空氣柱，插到剛才盛滿水的燒杯中。透過空試管觀察到的箭頭方向，與燒杯中其他位置觀察到的箭頭方向剛好相反，同學們大呼過癮！

浩瀚宇宙，有趣的遠不止于此。在回答同學們的問題時，陳征說，每到夜晚你仰望星空時，大自然已經向你證明，光速是有限的；天氣好的時候，人們可以看到很遙遠的星星，也許是5年前的，也許是50年前的，甚至是幾百萬年前的……我們目之所及的恰似一部星星版的“史詩”。