復(fù)盤“天宮課堂” 遇見科學(xué)之來處

文／本刊記者 史詩

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

然而，一場60分鐘的科學(xué)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(shí)，也激發(fā)出很多人的好奇心：如果在地球上重現(xiàn)這些太空實(shí)驗(yàn)，會是什么效果？還有哪些類似有趣的實(shí)驗(yàn)？

12月12日，科技日報(bào)社邀請神舟號飛船首任總體副主任設(shè)計(jì)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(xué)校開設(shè)“天宮課堂”“提高班”，講述航天人的追夢歷程，全面復(fù)盤科學(xué)實(shí)驗(yàn)，把現(xiàn)場觀眾心中還有的問號一一拉直。

如果太空開舉重運(yùn)動會，舉起地球不是夢！

“暢想一下，如果我們在太空開運(yùn)動會，哪個(gè)項(xiàng)目可以破紀(jì)錄？”陳征首先發(fā)問。

“跳高或跳遠(yuǎn)！”“標(biāo)槍！”“射擊！”同學(xué)們爭先恐后地回答。

“我最想破舉重項(xiàng)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(shí)現(xiàn)的。

陳征還表示，雖然空間站處于微重力環(huán)境，人人身輕如燕，可同時(shí)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?yàn)樯眢w變輕而跑得更快的同學(xué)大呼意外。

一番互動之后，陳征拿起常平架陀螺為大家講解?！案咚傩D(zhuǎn)時(shí)，陀螺具有定軸性，不管如何轉(zhuǎn)動常平架，陀螺始終保持一個(gè)方向。”陳征進(jìn)一步解釋，假設(shè)為陀螺儀指定一個(gè)方向，在任意時(shí)刻，我們只要對比和陀螺儀軸方向的夾角，就能確定當(dāng)前方向。這就是陀螺儀導(dǎo)航最核心的原理。

除了大眾熟悉的GPS導(dǎo)航，基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺儀可以不受信號變化時(shí)刻工作，起到導(dǎo)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(shí)隨地知道自己身在何處。

要向“喵星人”學(xué)習(xí)角動量守恒

“天宮課堂”結(jié)束后，應(yīng)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(zhuǎn)身模特”了。

陳征說，太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)的核心關(guān)鍵詞叫做角動量。角動量是描述物體轉(zhuǎn)動的物理量。

本次“提高班”中，陳征當(dāng)起了“地面模特”，站在一個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(gè)簡單直觀的表現(xiàn)。

陳征還特別提到了貓咪落地的過程。貓咪在空中時(shí)，能把身體圈起來后再扭轉(zhuǎn)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(shí)完成翻身，所以貓咪始終是腳先著地。

那么，我們?nèi)绾蜗瘛斑餍侨恕币粯?，在保證角動量守恒的情況下優(yōu)雅轉(zhuǎn)身呢？陳征親自上陣，在轉(zhuǎn)臺上展示了如“自由泳”式的有趣姿勢，果然轉(zhuǎn)動了起來！“雖然我比較胖，姿勢也不好看，但這個(gè)動作是非常有效的?！标愓餍ΨQ。

接著，為了呈現(xiàn)一個(gè)更為簡單的轉(zhuǎn)身方式，陳征又拿起一個(gè)旋轉(zhuǎn)的車輪，雙手緊握，伸直雙臂，也能輕松轉(zhuǎn)起身來。

神奇過癮的“水”實(shí)驗(yàn)

敲黑板！認(rèn)真聽講的同學(xué)一定還記得，當(dāng)王亞平老師將乒乓球放在盛有水的杯子中時(shí)，乒乓球始終不能浮起來。這是因?yàn)樘瘴⒅亓l件下，液體內(nèi)部壓強(qiáng)處處相等，也就不再有上下表面壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的浮力。換言之，如果在太空中將一個(gè)鐵球放在水面，它也不會沉下去。

這次，陳征做起相同實(shí)驗(yàn)，乒乓球輕松浮起。這驗(yàn)證了重力和浮力同時(shí)存在?！霸诳臻g站的微重力環(huán)境下，因?yàn)槊恳徊糠炙疾恍枰休d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(qiáng)是一樣的，放入乒乓球，力相互抵消，浮力也就消失了?！标愓髡f。

接下來，陳征又“變”出一個(gè)水槽，做出了一個(gè)長方形“泡泡”。他告訴大家，我們習(xí)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(huán)，水就容易形成薄膜。這就是“液體表面張力”的知識點(diǎn)，受到內(nèi)部分子的吸引，液體表面分子有被拉入內(nèi)部的趨勢，導(dǎo)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(fù)盤“水球光學(xué)”實(shí)驗(yàn)，陳征用筆在紙上畫出一個(gè)向左的箭頭，將裝水的燒杯放在紙片前面，當(dāng)水漫過箭頭，神奇的事情發(fā)生了，水杯里的箭頭調(diào)轉(zhuǎn)了方向！陳征解釋道：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)類似太空中的‘雙重人像’，凸透鏡在2倍焦距之外可以呈現(xiàn)倒立的實(shí)像?！?/p>

為了在地面上重現(xiàn)“雙重像”的神奇之處，陳征拿起空試管，制造了一個(gè)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(xué)們大呼過癮！

浩瀚宇宙，有趣的遠(yuǎn)不止于此。在回答同學(xué)們的問題時(shí)，陳征說，每到夜晚你仰望星空時(shí)，大自然已經(jīng)向你證明，光速是有限的；天氣好的時(shí)候，人們可以看到很遙遠(yuǎn)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”。