太空科學課（一）

太空熊貓君

2021年10月16日0時23分，牽動著全國人民心弦的神舟十三號載人飛船順利進入預定軌道。不久后，飛船與天和核心艙成功交會對接，中國空間站迎來了第二批住客——翟志剛、王亞平、葉光富。三名航天員自此開始了長達六個月的太空生活。剛剛進入太空沒幾天，翟志剛和王亞平就在全國人民的關注下，出艙執行了一次任務，王亞平也成為我國首位執行出艙任務的女性航天員。王亞平還在空間站里進行了太空授課。

這并不是王亞平第一次進入太空，更不是她第一次進行太空授課。早在2013年6月，王亞平就曾參與執行神舟十號飛行任務，并擔任太空授課的主講老師，在天宮一號空間實驗室為8萬多所學校、6000多萬名學生，帶來了一堂40分鐘的太空科學實驗課。

在這次太空授課中，王亞平擔任主講老師，指令長聶海勝擔任助教老師，航天員張曉光負責攝像，那么，太空教學三人組都進行了哪些實驗，這里面都涉及了哪些科學原理呢？今天我們就來解讀第一個實驗——“太空神功”。

直播畫面中，聶海勝盤起雙腿，懸浮在實驗艙中，王亞平輕輕一推，聶海勝立刻被推走，仿佛氣球一般，甚至還在空中翻起了跟頭。這個實驗的原理并不復雜：因為實驗艙的內部是失重的，所有的物體都會懸浮在空中，而王亞平推聶海勝之后，由于慣性的作用，聶海勝就會越飛越遠了。天宮一號內部處于失重環境，是因為它不受地球引力影響嗎？實際上，距離地面大約300多千米的天宮一號受到的地球引力是不能被忽視的。或者說，恰恰是因為地球引力的作用，天宮一號才能夠環繞地球飛行。假若航天器沒有在高速飛行而是相對地面靜止于天空上，則必然會被引力拉扯從而墜向地面。那么，為什么畫面中的航天員都處于失重狀態呢？這不矛盾嗎？這就要用天宮一號的運動狀態來解釋了。

天宮一號的飛行軌道距地面約350千米，環繞地球飛行一周約90分鐘。為了保證自身既不會由于速度太慢而墜入大氣層，也不會因為速度太快而飛離地球，天宮一號必須保持接近于第一宇宙速度（7.9千米/秒）的速度繞地球進行圓周飛行。任何一個做圓周運動的物體，都一定會獲得向心力，對于天宮一號來說，它高速運行時獲得的向心力就是由地球對它的引力提供的。地球引力拉扯著天宮一號高速轉圈，形成了一種平衡，也無法再額外提供豎直向下的重力了，所以畫面中的航天員都處于失重的狀態。

航天員聶海勝被輕輕一推就飛了出去，這就是慣性的“功勞”了。我們應該非常熟悉“慣性”這個概念：開車的時候，即使停止踩油門，但不踩剎車的話，車也很難馬上停下來;如果司機忽然來個急轉彎，乘客則會向著相反的方向傾倒……這都是由于慣性的作用。牛頓對慣性定律做出了非常準確的表述：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。這就是著名的牛頓第一定律，又稱慣性定律。

然而雖然說起來輕巧，人類認識慣性的過程卻并不容易。早在2300多年前，古希臘哲學家亞里士多德就通過對自然事物的觀察，將運動分成了自然運動和受迫運動。自然運動是指，月亮以下的世界是由土、水、火、氣四種元素構成的，每種元素都有著自己的運動傾向：土最重，會向下沉;水次之，也會向下沉;火較輕，會向上浮;氣最輕，自然會向上浮。除此之外受到外力的運動則是受迫運動。亞里士多德認為，力是物體運動的原因，物體受力就會運動，而當物體不受力的時候，它就會靜止。

直到1900多年后，意大利科學家伽利略才第一次正式向亞里士多德的理論發起了挑戰，他做了著名的斜面實驗。在實驗中，伽利略讓鋼球從斜面滾下，鋼球會自然滾上前方的另一個斜面，無論前方的斜面坡度如何，鋼球都會滾到和下落前同樣的高度。這讓伽利略開始思考，如果鋼球滾下之后，前面不再是另一個斜面，而是一個無盡的、絕對光滑的平面，鋼球豈不是會一直向前運動下去？雖然我們找不到一個沒有摩擦力的無限平面，但是現在伽利略的思考已經被證明是對的，在這種情況下小球會一直沿直線運動下去。后來，法國科學家笛卡兒補充和完善了伽利略的觀點，他提出：如果運動中的物體沒有受到其他外力的作用，它將繼續以同一速度沿同一直線運動，既不停下來也不偏離原來的方向。這便是牛頓第一定律的雛形。

慣性在生活中的應用十分常見，早在慣性定律發現之前，人類在戰爭中使用的射擊武器、為了娛樂發明的各種球類運動，乃至平時抖落灰塵、甩掉手上的水，其實都是在利用慣性。不過慣性也會給我們帶來很多麻煩，例如奔跑中不容易快速改變方向、急剎車時身體會向前傾等。

慣性在太空中仍然存在。航天器想要進入太空，需要火箭提供強大的動力，但在太空中的運動就不需要這么強大的動力支持了。由于慣性的存在，航天器可以毫不費力地保持運動狀態，節能又環保。然而如果飛向了錯誤的方向，調整行進方向也是十分困難的。科幻電影《地心引力》中就有這樣的場景：遭遇事故的航天員被撞離空間站，他如果身上沒有動力裝置，就只能飛向茫茫宇宙，再也無法返回空間站了。

太空第一課中，雖然王亞平只是輕輕推聶海勝，但理論上講由于慣性聶海勝會保持運動狀態一直飛出去。當然啦，即便實驗艙是無限大的，聶海勝也會由于其內部的空氣阻力最終停下來，不過這個小實驗依然可以讓我們對慣性定律有一個更直觀且有趣的認識。

小小的一推只是太空第一課的開始，后面王亞平還會操作哪些實驗，這些實驗又包含哪些科學原理呢？我們下期再來一起解讀吧！