冰墩墩直行 能帮我们完成许多地面的不可能

　　3月23日，“天宫课堂”第二课开讲，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合授课，采取天地对话方式，顶流冰墩墩再上岗做助教，航天员在轨演示四个实验，并介绍与展示空间科学设施。极目新闻记者邀请华中科技大学物理学院三名教授、物理实验创新基地的学生以及武汉市洪山高级中学的特级教师一起，对“天宫课堂”背后的原理进行解读。

　　现象：航天员从液体袋中挤出一个透明水球，然后用一根塑料棒轻轻一碰，水球瞬间产生大量的白色晶体，就像雪花一样，但用手触摸，“雪花球”却是热的。

　　解读：华中科技大学物理学院教授吕京涛介绍，过饱和溶液是一种不稳定的状态，受到外界因素扰动或者遇到小的凝结核时，容易结晶。结晶这个物理现象我们在平时的生活中也可以看到，王亚平老师选用的是过饱和乙酸钠溶液做实验。通常来说，结晶都是在溶液中发生，物质结晶后变为固体因为密度问题沉入容器底下或浮到液面上。在太空的失重环境下不用溶液就可以演示。

　　另外，因为失重，天宫实验中结晶后形状比较理想化，就是一个球形。如果在地面液体里做，结晶后密度变化会沉到水底或浮到液面，很难形成球形。结晶是一个放热的过程，所以结晶球摸上去热乎乎的。

　　现象：航天员在两块板子之间送入一些水。水附着在两块板子之间，在板子之间形成一座拱桥似的液体桥。

　　解读：华中科技大学物理学院教授罗鹏顺教授介绍，液体表面张力是液体分子间相互吸引作用力的体现，宏观表现为液体表面层内的表面张力，有使液体表面积缩小的趋势，使势能最小化。这个实验主要就是展现了液体的表面张力。

　　罗鹏顺告诉极目新闻记者，液体表面张力在生活中经常会看见，“我们早晨去公园里，看到荷叶上的水珠，一粒粒的，这也是表面张力的体现，但是仔细观察是椭圆形的，这是因为重力的作用。”他补充解释，在太空微重力环境，由于要使表面积最小，水珠是一个球状。

　　天宫实验中，两个板子上的水球接触后连接了起来，连接的水桥表面有表面张力，所以使水桥不会断裂。生活中，人们同样可以看到水桥，“两根手指间放一滴水，慢慢张开，你也看到了一个水桥。”然而在地球上，因为重力作用，水桥过大就会被“拽”下去，所以只能形成很微小的水桥现象。

　　现象：航天员将水和油的分层液体混合，混合后的液体没有自发地分层，好似水油相溶。同时，地面上的学生们做了相同的混合实验，但很快就再次分层。航天员将混合液体离心，水油即分离。

　　解读：湖北省物理特级教师、洪山高中教师李金雪说：“在地面上水和油是分层的，这是因为油的密度比水小些，油轻水重，而且油水不相容。”他补充解释，在“天宫课堂”上王亚平来回摇动的小瓶停止一段时间后，瓶中油和水几乎均匀混合在一起，这是因为在太空微重力环境里，油和水近似为“完全失重”状态，油水不存在“轻重”之别，自然无法分层和分离。

　　随后，叶光富用绳子快速旋转小瓶时，水和油在离心作用下实现分层。华中科技大学物理学院教授邹远川介绍，这个快速转动产生了向心加速度，在瓶子参考系看，其实是在加速参考系中看的，就感受到了一个离心力。“这个离心力和重力差不多等效，也就能回到和地球上一样实现水油分层了。”邹远川说。

　　现象：王亚平水平向前抛出憨态可掬一个“冰墩墩”，模型呈匀速直线运动，稳稳地被叶光富老师接在手中。

　　解读：邹远川和李金雪都表示，这是一个很好的牛顿惯性定律的演示——在地球上由于有重力，物体走抛物线，在天宫物体几乎不受重力作用，所以走匀速直线运动。

　　邹远川还谈到，可以用爱因斯坦广义相对论的等效原理来看待这个问题，等效原理说受到引力和进行加速运动是等效的。天宫受到了地球的引力，而且以相同的向心加速度在运动，从而二者抵消，天宫内部就变成了一个完美的惯性系。在惯性系中抛出去的物体，在离手之后也就不受任何力，从而也走匀速直线运动。

　　据邹远川介绍，天宫具有地面所不具备的条件，可以使得我们能完成一些地面所无法进行的实验。这主要有两方面，一方面是微重力环境，另一方面是不受大气影响。对于微重力环境，地面是几乎无法模拟的，而微重力下物质间的相互作用规律的研究，微重力下进行高精度的工程加工，比如一个特别圆的球体的加工等等，都只能在天宫等失重环境下进行。

　　对于排除大气的影响，邹远川介绍，目前已经有很多的天文望远镜就是为此而发射到太空中的，比如哈勃望远镜。“将来要和天宫做邻居的中国巡天空间望远镜，就可以不受大气的影响是非常精确的观测宇宙，而且还能依靠天宫的航天员对它进行维修和升级。”邹远川说。