又见“天宫课堂”

◆本刊综合

9 月21 日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲，新晋“太空教师”——神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮带来了一节精彩的太空科普课。这也是中国航天员首次在梦天实验舱进行授课。

“太空教室”再升级

梦天舱实验载荷区域是梦天舱的核心区域，可开展流体物理、材料科学、燃烧科学等微重力物理科学的基础研究，探究工程技术领域的前沿问题。

在实验载荷区，有两相系统实验柜、流体物理实验柜、高温材料科学实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等多台空间科学实验柜。空间站里的科学装置与地面不同，它们并不全是“站”在舱内，而是呈360°环绕摆放。

被朱杨柱趣称为“太空炼丹炉”的是高温材料科学实验柜。受微重力环境影响，炉温可高达1600 ℃，便于开展各种新型材料的研究制备。第一批在“太空炼丹炉”里接受高温考验制备的材料，已随神舟十五号航天员返回地面，其中一种半导体材料具有非常好的柔性性能，适合制作新型晶体软电子器件，有望推动半导体技术的进步和升级换代。

超冷原子物理实验柜被称为最冷的地方，它可以制备接近绝对零度的超低温物质。这种物质的原子会呈现特殊的状态，能帮助我们更好地探索量子力学的奇异世界。

图1 地面课堂的受众覆盖了青年大学生群体（图/ 北京航空航天大学 供）

太空实验注入新活力

在本次授课中，航天员朱杨柱和桂海潮用一款特制的乒乓球拍打水做的“乒乓球”。这种“拍水不破”的奇妙现象让地面课堂的同学们惊叹不已。在地面条件下，液体的成形和流动同时受重力与表面张力影响，而在太空微重力条件下，特制的乒乓球拍上毛巾的微绒毛与水球形成疏水结构。这种疏水结构的处理工艺在纺织工业中较常见，冲锋衣、速干衣等都采用了这种处理工艺。

在微重力环境下，液体的很多特性都会发生改变，意味着航天器燃料的流动性质与地面存在显著的差异。在此前的“天宫课堂”中，航天员利用液体开展了毛细效应实验、液桥演示实验等，展示了流体现象的天地差异，直观地向青少年科普相关知识。

图2 航天员演示奇妙的“乒乓球”实验（图/新华社 鞠焕宗 摄）

此前，航天员王亚平曾用陀螺展示了高速旋转的陀螺的定轴特性，这种特性在保持飞行器飞行姿态的稳定等航天领域用途广泛。此次太空授课中，桂海潮手中的陀螺较王亚平使用的大出数倍，朱杨柱快速拨动陀螺，使陀螺高速运转，桂海潮双手持握陀螺两端，只需轻微改变陀螺的方向，悬在空中的身体便可改变角度。

如果把桂海潮的身体想象成空间站，把他的双手和手中的陀螺看作空间站使用的一种特殊装置——控制力矩陀螺，意味着仅需借助数百千克的陀螺，就能让近百吨的空间站在太空中自如“转身”。

高中物理解释了物体动量发生改变的原因，但力矩是物体角动量发生改变的原因这个内容要到大学才有所涉猎。角动量守恒原理对航天技术发展影响深远，更是北京航空航天大学飞行器设计专业的高年级本科生乃至研究生的“必修课”。这与此前“天宫课堂”的内容相比，专业性更强，受众面更广。

天地互动精彩无限

本次太空授课活动分别在北京、内蒙古阿拉善盟、陕西延安、安徽桐城及浙江宁波设置了5 个地面课堂，航天员分别回答了各地面课堂学生的提问。

植物在失重环境下根系为何仍会扎进土壤？太空中植物的生长周期有何不同呢？

植物具有向重性和向水性，土壤含有充足的水分，植物种子在萌发时就会向含水的土壤生长，同时没有了重力带来的空间感，植物的根和茎不能整齐向着一个方向生长，会呈现出比较零乱的状态。

太空微重力环境可能会造成植物生长周期的变化。比如，在天宫二号中的生菜与在地面生长的周期差距较小，而同样在天宫二号里拟南芥就比在地面生长缓慢，但存活时间更长。

图3 学生在地面课堂开展趣味实验（图/新华社）

地球上的机械时钟和电子钟在太空中还能正常使用吗？引力辐射重力等会不会对它们产生影响呢？

电子时钟在空间站能正常运转。此外，空间站即将安装冷原子时钟，它的精度有望实现约50 亿年误差1 秒的超高纪录。