太空科學課（十五）

空間站的微重力環境為科學家們提供了獨特的研究條件，方便我們更加直觀地理解物理規律。接下來的天宮課堂實驗，所運用的原理是著名的牛頓第一運動定律。這個實驗操作起來很簡單，效果也非常神奇。

王亞平先拿出了北京冬奧會的吉祥物——冰墩墩的小公仔，她輕輕一推，冰墩墩就在空間站里緩慢地做起了后空翻。而當王亞平稍微用力點兒拋出冰墩墩，它就像一架小飛機一樣，直直地向前飛去，沒有落地，似乎也沒有減速。這就是牛頓第一運動定律的直觀呈現，這條定律也被叫作慣性定律，你還記得它的完整表述嗎？

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。

我們生活在地球上，一切有質量的物體都會受到重力的作用，相當于時時刻刻都有一個“外力”在影響著物體的狀態。物體放在地面上靜止不動，是因為地面對物體的支撐力正好與重力抵消，而拋向空中的物體會掉下來，是受到了重力的作用。我們平時是無法直觀感受到牛頓第一運動定律的，但是太空中的情況就不同了：空間站里的微重力環境可以讓我們不考慮重力的作用，即使物體有一定質量，空氣阻力也可以忽略不計，牛頓第一運動定律在這里就可以完美地呈現出來——被推動的冰墩墩可以沿著一條直線勻速飛行啦。

做了這么多太空科普實驗，同學們也了解了太空的神奇之處。但我們建造空間站的目的可不僅僅是為了科普和教學，我們最重要的目的是進行科學研究，微重力環境可以讓我們完成很多在地面上無法開展的實驗和研究。那么，科學家們是如何利用空間站來開展科學實驗的呢？隨著葉光富的講解，太空科研的面紗也被一點點揭開。

中國空間站就像是一個放在太空中的科學實驗室，我們先來看看它里面都有哪些科研設備。首先亮相的是高微重力科學實驗柜，它可以提供比在空間站里自然狀態下的量級還要高的微重力環境。這時候你可能要問了，空間站里不是已經是微重力環境了嗎，為什么還需要更高量級的微重力環境呢？這是因為高微重力環境對物理實驗來說是非常重要的，重力的影響越小，實驗過程才能越精密，實驗結果才會越準確。例如，葉光富給我們介紹，科學家們使用冷原子干涉儀對原子進行加速度測量比對，可以檢驗愛因斯坦廣義相對論中非常重要的等效原理。這個等效原理是廣義相對論中非常重要的力學理論基礎。簡單來說，愛因斯坦認為當你處于加速狀態——例如汽車啟動或者剎車時，你的身體相對于汽車，會由于慣性而產生運動，這種運動狀態和你被地球引力所吸引時的狀態在本質上是一樣的。基于這個想法，愛因斯坦提出了廣義相對論，描述了時空與運動的關系。為了更好地驗證等效原理，科學家們需要在盡可能不受重力干擾的環境中做實驗，于是就有了空間站中的高微重力科學實驗柜。

那么，高微重力科學實驗柜又是如何實現更小的重力環境的呢？原來，在它的內部有一個懸浮實驗臺，實驗臺包括內外兩層，外層由噴氣技術控制，內層由磁懸浮技術控制。兩種控制手段結合起來，空氣擾動、震動等外界干擾因素基本上就可以抵消掉，實驗臺內部的微重力水平要比外部的高上幾百甚至上千倍呢！

在天宮課堂第二課開課前不久，航天員們就配合地面科學家完成了一次懸浮實驗臺位置自動調整的實驗。這個實驗是如何操作的呢？在視頻中，葉光富從高微重力科學實驗柜中取出了懸浮實驗臺，讓它飄浮在空間站之中。隨后輕輕地推動它，我們可以看到懸浮實驗臺的位置改變了，可是沒過多久，懸浮實驗臺就又回到了移動之前的位置。原來，是懸浮實驗臺上的噴氣裝置通過噴氣，讓它自己恢復了位置。

可是，懸浮實驗臺是如何知道自己位置變化了？又是如何找到初始位置的呢？奧秘就藏在高微重力科學實驗柜的柜門上。柜門上畫著七排七列點狀矩陣，被稱為靶標，它就是一個距離參照物。而懸浮實驗臺的后側配有兩臺相機，通過相機對靶標的觀測，它就可以知道自身所處的空間位置了。一旦懸浮實驗臺的位置發生變化，相機就會捕捉到靶標圖像的變化，進而通過噴氣裝置來矯正位置。

介紹完高微重力科學實驗柜，讓我們把目光轉到無容器材料實驗柜上。這個實驗柜顧名思義，里面是沒用容器的。實驗樣本可以在微重力環境下，通過靜電場實現穩定的懸浮控制，整個過程不會和實驗柜的內表面發生接觸，這樣就避免了容器材料與樣品接觸可能帶來的污染和影響，從而獲得更加精準的實驗結果。

在本次太空實驗課之前，航天員們就開展過一次鋯金屬熔化與凝固實驗。課上放了實驗過程的視頻：推桿將一枚直徑不到3 毫米的金屬球釋放到無容器材料實驗柜腔體之中，小球被靜電場固定在腔體中間；隨著激光器啟動，金屬球被加熱并且開始熔化；停止加熱之后，小球又開始冷卻凝固，直到完全冷卻后被收回到樣品盒中。最終，這些樣品會交到地面上的科學家手中展開研究。

早在2021 年9 月，第一批太空實驗的樣品就已經由神舟十二號乘組的航天員交給了地面科學家，正在進行研究和分析。

科學實驗柜是中國空間站內開展科學實驗的主要設施，隨著問天實驗艙和夢天實驗艙相繼發射對接，中國空間站基本構型完成建造，更多的實驗柜將在太空中發揮它們的功能，完成各個領域的科學實驗項目。

展示完空間站中的實驗柜，天宮課堂第二課的教學部分就結束了。接下來是天地連線的問答環節，這一次，全國各地的同學們又提出了哪些有趣的問題？問題背后又包含哪些科學知識呢？別急，太空熊貓君下期為你揭曉。