◆本刊綜合

9 月21 日下午，“天宮課堂”第四課在中國空間站開講，新晉“太空教師”——神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮帶來了一節(jié)精彩的太空科普課。這也是中國航天員首次在夢天實驗艙進(jìn)行授課。

“太空教室”再升級

夢天艙實驗載荷區(qū)域是夢天艙的核心區(qū)域，可開展流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)等微重力物理科學(xué)的基礎(chǔ)研究，探究工程技術(shù)領(lǐng)域的前沿問題。

在實驗載荷區(qū)，有兩相系統(tǒng)實驗柜、流體物理實驗柜、高溫材料科學(xué)實驗柜、燃燒科學(xué)實驗柜、在線維修裝調(diào)實驗柜等多臺空間科學(xué)實驗柜?？臻g站里的科學(xué)裝置與地面不同，它們并不全是“站”在艙內(nèi)，而是呈360°環(huán)繞擺放。

被朱楊柱趣稱為“太空煉丹爐”的是高溫材料科學(xué)實驗柜。受微重力環(huán)境影響，爐溫可高達(dá)1600 ℃，便于開展各種新型材料的研究制備。第一批在“太空煉丹爐”里接受高溫考驗制備的材料，已隨神舟十五號航天員返回地面，其中一種半導(dǎo)體材料具有非常好的柔性性能，適合制作新型晶體軟電子器件，有望推動半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和升級換代。

超冷原子物理實驗柜被稱為最冷的地方，它可以制備接近絕對零度的超低溫物質(zhì)。這種物質(zhì)的原子會呈現(xiàn)特殊的狀態(tài)，能幫助我們更好地探索量子力學(xué)的奇異世界。

圖1 地面課堂的受眾覆蓋了青年大學(xué)生群體（圖/ 北京航空航天大學(xué) 供）

太空實驗注入新活力

在本次授課中，航天員朱楊柱和桂海潮用一款特制的乒乓球拍打水做的“乒乓球”。這種“拍水不破”的奇妙現(xiàn)象讓地面課堂的同學(xué)們驚嘆不已。在地面條件下，液體的成形和流動同時受重力與表面張力影響，而在太空微重力條件下，特制的乒乓球拍上毛巾的微絨毛與水球形成疏水結(jié)構(gòu)。這種疏水結(jié)構(gòu)的處理工藝在紡織工業(yè)中較常見，沖鋒衣、速干衣等都采用了這種處理工藝。

在微重力環(huán)境下，液體的很多特性都會發(fā)生改變，意味著航天器燃料的流動性質(zhì)與地面存在顯著的差異。在此前的“天宮課堂”中，航天員利用液體開展了毛細(xì)效應(yīng)實驗、液橋演示實驗等，展示了流體現(xiàn)象的天地差異，直觀地向青少年科普相關(guān)知識。

圖2 航天員演示奇妙的“乒乓球”實驗（圖/新華社 鞠煥宗 攝）

此前，航天員王亞平曾用陀螺展示了高速旋轉(zhuǎn)的陀螺的定軸特性，這種特性在保持飛行器飛行姿態(tài)的穩(wěn)定等航天領(lǐng)域用途廣泛。此次太空授課中，桂海潮手中的陀螺較王亞平使用的大出數(shù)倍，朱楊柱快速撥動陀螺，使陀螺高速運轉(zhuǎn)，桂海潮雙手持握陀螺兩端，只需輕微改變陀螺的方向，懸在空中的身體便可改變角度。

如果把桂海潮的身體想象成空間站，把他的雙手和手中的陀螺看作空間站使用的一種特殊裝置——控制力矩陀螺，意味著僅需借助數(shù)百千克的陀螺，就能讓近百噸的空間站在太空中自如“轉(zhuǎn)身”。

高中物理解釋了物體動量發(fā)生改變的原因，但力矩是物體角動量發(fā)生改變的原因這個內(nèi)容要到大學(xué)才有所涉獵。角動量守恒原理對航天技術(shù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)，更是北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計專業(yè)的高年級本科生乃至研究生的“必修課”。這與此前“天宮課堂”的內(nèi)容相比，專業(yè)性更強(qiáng)，受眾面更廣。

天地互動精彩無限

本次太空授課活動分別在北京、內(nèi)蒙古阿拉善盟、陜西延安、安徽桐城及浙江寧波設(shè)置了5 個地面課堂，航天員分別回答了各地面課堂學(xué)生的提問。

植物在失重環(huán)境下根系為何仍會扎進(jìn)土壤？太空中植物的生長周期有何不同呢？

植物具有向重性和向水性，土壤含有充足的水分，植物種子在萌發(fā)時就會向含水的土壤生長，同時沒有了重力帶來的空間感，植物的根和莖不能整齊向著一個方向生長，會呈現(xiàn)出比較零亂的狀態(tài)。

太空微重力環(huán)境可能會造成植物生長周期的變化。比如，在天宮二號中的生菜與在地面生長的周期差距較小，而同樣在天宮二號里擬南芥就比在地面生長緩慢，但存活時間更長。

圖3 學(xué)生在地面課堂開展趣味實驗（圖/新華社）

地球上的機(jī)械時鐘和電子鐘在太空中還能正常使用嗎？引力輻射重力等會不會對它們產(chǎn)生影響呢？

電子時鐘在空間站能正常運轉(zhuǎn)。此外，空間站即將安裝冷原子時鐘，它的精度有望實現(xiàn)約50 億年誤差1 秒的超高紀(jì)錄。