太空科学课（十五）——太空实验柜，尽数显神威

文/太空熊猫君

空间站的微重力环境为科学家们提供了独特的研究条件，方便我们更加直观地理解物理规律。接下来的天宫课堂实验，所运用的原理是著名的牛顿第一运动定律。这个实验操作起来很简单，效果也非常神奇。

王亚平先拿出了北京冬奥会的吉祥物——冰墩墩的小公仔，她轻轻一推，冰墩墩就在空间站里缓慢地做起了后空翻。而当王亚平稍微用力点儿抛出冰墩墩，它就像一架小飞机一样，直直地向前飞去，没有落地，似乎也没有减速。这就是牛顿第一运动定律的直观呈现，这条定律也被叫作惯性定律，你还记得它的完整表述吗？

任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

我们生活在地球上，一切有质量的物体都会受到重力的作用，相当于时时刻刻都有一个“外力”在影响着物体的状态。物体放在地面上静止不动，是因为地面对物体的支撑力正好与重力抵消，而抛向空中的物体会掉下来，是受到了重力的作用。我们平时是无法直观感受到牛顿第一运动定律的，但是太空中的情况就不同了：空间站里的微重力环境可以让我们不考虑重力的作用，即使物体有一定质量，空气阻力也可以忽略不计，牛顿第一运动定律在这里就可以完美地呈现出来——被推动的冰墩墩可以沿着一条直线匀速飞行啦。

做了这么多太空科普实验，同学们也了解了太空的神奇之处。但我们建造空间站的目的可不仅仅是为了科普和教学，我们最重要的目的是进行科学研究，微重力环境可以让我们完成很多在地面上无法开展的实验和研究。那么，科学家们是如何利用空间站来开展科学实验的呢？随着叶光富的讲解，太空科研的面纱也被一点点揭开。

中国空间站就像是一个放在太空中的科学实验室，我们先来看看它里面都有哪些科研设备。首先亮相的是高微重力科学实验柜，它可以提供比在空间站里自然状态下的量级还要高的微重力环境。这时候你可能要问了，空间站里不是已经是微重力环境了吗，为什么还需要更高量级的微重力环境呢？这是因为高微重力环境对物理实验来说是非常重要的，重力的影响越小，实验过程才能越精密，实验结果才会越准确。例如，叶光富给我们介绍，科学家们使用冷原子干涉仪对原子进行加速度测量比对，可以检验爱因斯坦广义相对论中非常重要的等效原理。这个等效原理是广义相对论中非常重要的力学理论基础。简单来说，爱因斯坦认为当你处于加速状态——例如汽车启动或者刹车时，你的身体相对于汽车，会由于惯性而产生运动，这种运动状态和你被地球引力所吸引时的状态在本质上是一样的。基于这个想法，爱因斯坦提出了广义相对论，描述了时空与运动的关系。为了更好地验证等效原理，科学家们需要在尽可能不受重力干扰的环境中做实验，于是就有了空间站中的高微重力科学实验柜。

那么，高微重力科学实验柜又是如何实现更小的重力环境的呢？原来，在它的内部有一个悬浮实验台，实验台包括内外两层，外层由喷气技术控制，内层由磁悬浮技术控制。两种控制手段结合起来，空气扰动、震动等外界干扰因素基本上就可以抵消掉，实验台内部的微重力水平要比外部的高上几百甚至上千倍呢！

在天宫课堂第二课开课前不久，航天员们就配合地面科学家完成了一次悬浮实验台位置自动调整的实验。这个实验是如何操作的呢？在视频中，叶光富从高微重力科学实验柜中取出了悬浮实验台，让它飘浮在空间站之中。随后轻轻地推动它，我们可以看到悬浮实验台的位置改变了，可是没过多久，悬浮实验台就又回到了移动之前的位置。原来，是悬浮实验台上的喷气装置通过喷气，让它自己恢复了位置。

可是，悬浮实验台是如何知道自己位置变化了？又是如何找到初始位置的呢？奥秘就藏在高微重力科学实验柜的柜门上。柜门上画着七排七列点状矩阵，被称为靶标，它就是一个距离参照物。而悬浮实验台的后侧配有两台相机，通过相机对靶标的观测，它就可以知道自身所处的空间位置了。一旦悬浮实验台的位置发生变化，相机就会捕捉到靶标图像的变化，进而通过喷气装置来矫正位置。

介绍完高微重力科学实验柜，让我们把目光转到无容器材料实验柜上。这个实验柜顾名思义，里面是没用容器的。实验样本可以在微重力环境下，通过静电场实现稳定的悬浮控制，整个过程不会和实验柜的内表面发生接触，这样就避免了容器材料与样品接触可能带来的污染和影响，从而获得更加精准的实验结果。

在本次太空实验课之前，航天员们就开展过一次锆金属熔化与凝固实验。课上放了实验过程的视频：推杆将一枚直径不到3 毫米的金属球释放到无容器材料实验柜腔体之中，小球被静电场固定在腔体中间；随着激光器启动，金属球被加热并且开始熔化；停止加热之后，小球又开始冷却凝固，直到完全冷却后被收回到样品盒中。最终，这些样品会交到地面上的科学家手中展开研究。

早在2021 年9 月，第一批太空实验的样品就已经由神舟十二号乘组的航天员交给了地面科学家，正在进行研究和分析。

科学实验柜是中国空间站内开展科学实验的主要设施，随着问天实验舱和梦天实验舱相继发射对接，中国空间站基本构型完成建造，更多的实验柜将在太空中发挥它们的功能，完成各个领域的科学实验项目。

展示完空间站中的实验柜，天宫课堂第二课的教学部分就结束了。接下来是天地连线的问答环节，这一次，全国各地的同学们又提出了哪些有趣的问题？问题背后又包含哪些科学知识呢？别急，太空熊猫君下期为你揭晓。