你不知道的“天宫课堂” ——解读史上最硬核太空授课

时隔八年，中国太空课堂再度开启，同时这也是中国新空间站第一次太空授课。本次太空课堂内容极其丰富有趣，涉及物理、生物、化学、医学等多方面的知识内容。这一课，受到了全世界的瞩目，其意义和技术自然非同一般！

那么，问题来了，本次太空授课的八个实验和展示都是什么原理呢？其背后又蕴含着怎样的科学道理和应用呢？沉浸在“天宫课堂”兴奋中的小伙伴们真的懂了吗？我们不妨来细细解读一番。

小小空间站，满满“黑科技”——航天员在轨工作生活场景展示

“航天员在太空怎么睡觉呢？”“太空哪里来的空气呀？”“换下来的衣服洗不洗呀？”.......

带着小朋友们的问题，我们一起来看看航天员在太空站中是如何生活工作的吧。

课程一开始，王亚平老师就带着同学们参观了航天员的休息工作区。原来，航天员的睡眠区是一个个“半封闭”的小隔间，床上有固定航天员的“安全带”，透过舷窗，可以看到地球和外太空的迷人景色。看似小小的睡眠区，却透着满满的温馨。

来到生活区，映入眼帘的便是各种运动器械。原来，在太空中，由于没有引力，人体的血液会往身体上端“涌”，因此航天员的脸看上去都“胖胖”的。此外，失重还会使肌肉萎缩，严重影响健康。于是“太空跑步机”、“太空自行车”等等便是为航天员们量身打造的运动器械，这些为宇航员设计的个性化运动方案也有个有趣的名字——运动处方。除了这些，宇航员们还有一个秘密武器，那就是“企鹅服”，它内部有束缚装置，能帮助航天员保持肌肉的张力，起到对抗肌肉萎缩、减缓心血管功能下降的作用。太空厨房中，还有加热器、饮水分配器、食品冷藏箱。正是有了这些“太空站黑科技”，宇航员们即使在太空也能吃到新鲜美味的苹果。让我们为太空站的设计师们点个赞！

太空中的荧光舞者——太空细胞学研究试验展示

“太空细胞学研究”似乎成了这次天宫授课最最难懂的实验。很多朋友们不禁感慨：“这试验是个啥呀？”、“听名字就知道高大上！”那么，在中学生物课本上常常见到的“细胞”，到了太空中又会发生什么样的奇妙变化呢？让我们跟着叶光富老师一起来看看吧。

叶光富老师展示的失重条件下细胞生长发育研究。在研究区域，有医学样本制备装置，里面能保持一定的温度和气体浓度，给细胞培养提供适宜的环境，当细胞培养到了一定程度时，便可以取出观察。这时，便需要用到医学样本显微观察装置，内置显微镜配合计算机软件可以对细胞生长发育进行实时观察和分析。试验时，分别将细胞置于人工制造的地球重力加速度环境下和太空站的微重力环境下进行培养，并对它们的生长条件和形态等进行对比研究。此外，航天员老师们还展示了细胞由于自身生物电在荧光下闪闪发光并不断跳动。没想到，小小的心肌细胞在太空却能化身成美丽的舞者。那么，这项“高大上”的研究意义何在呢？

事实上，早期就有科学家提问，空间中微重力环境下细胞会不会不受拘束、任性生长？因此，太空细胞学对研究未来人类长期太空生活有着特殊的价值，它对生物医学的发展也带来了无限可能！

空间站中上演“花样滑冰”——太空转身实验

地面上，我们双脚触地，能很容易地转身；在水中，我们做着划水的动作，便能轻易地向前游动，然而太空中也一样吗？

在太空转身的实验中，航天员老师在漂浮的状态下分别做着转身和划水的动作，却不能像在地球上一样成功实现。这是为什么呢？事实上，物理学上把这两种现象分别叫做角动量守恒和动量守恒。在太空漂浮的物体，因为没有外力的作用，物体各个部分的角动量之和与动量之和均不会改变。

细心的同学们可能会发现，航天员老师在漂浮的状态下，做转身运动时，上身转动的方向总是和下身转动的方向相反。这是因为航天员老师处于漂浮状态，上身和下身的角动量方向必须永远相反，才能保证角动量守恒，因而无法转身。而当航天员老师做划水动作时，因为动量守恒，自身的速度无法改变，因此无法向前运动。小伙伴们可能会问：为什么当航天员老师右手加速绕圈时，身体就能不断地发生旋转呢？这是因为当右手加速绕圈时，其角动量的方向会与身体角动量的方向相反，因此身体便会向着反方向转动，这样一来便成功的实现了转身的动作。最后，航天员老师展开双臂以一个速度进行旋转，当收紧双臂时，手臂圆周运动的半径减小，为了保证动量守恒，身体的转速就会增加。花样滑冰的运动员能够飞速旋转就是这个原理。

事实上，航天员在空间站中的行动是十分困难的，因为漂浮在空中，无论是转身还是前进都需要借助空间站仓壁的扶手。这看似简单的实验背后却蕴含着牛顿力学中的原理，小伙伴们看懂了吗！

本次太空授课，“水”似乎成了主角，让我们一起来看看水在太空站会发生怎样奇妙的变化吧！

浮力怎么不见了？——浮力实验消失

热气球为什么能上升，万吨巨轮为什么浮在水面，这都是浮力在起作用。可是太空中，浮力怎么就“失效”了呢？

太空中，航天员老师在杯中注满水，利用乒乓球进行实验，浮力却神奇的消失了。原来，浮力产生的根本原因是物体的上下表面在水中深度不同，液体在物体的上下表面作用形成了压力差，而液体内部压强的来源是重力。在初中课本上，我们就学过，液体内部某点处的压强=液体密度×重力加速度g×某点到液面处的竖直高度。然而，在太空站的失重环境下，重力加速度g变为零，压强差便会消失，浮力也就自然而然地“失效”了。

水中绽放的花朵——水膜张力实验

水中也能“开花”？

水膜张力实验中，王亚平老师做好水膜后，拿出了一个花朵折纸并小心翼翼放在水膜上。令人惊叹的现象出现了——花朵居然在晶莹剔透的水膜上慢慢地“开放”了。

原来，纸花的“开放”是由于水膜张力。那么到底什么是水膜张力呢？水膜张力的物理本质是液体的表面张力，由于液体表面分子间“引力”作用，液体便会产生使表面尽可能缩小的力，这个力称为“表面张力”。放在水膜上的纸花，由于受到这种力的拉扯，自然就慢慢地“开放”了。

事实上，表面张力的现象在生活中处处可见。清晨凝结在叶片上的露珠、天冷时窗户上凝聚的水滴，都近似球状，这都是在表面张力的作用下形成的。此外，蜻蜓、水黾等昆虫之所以能“站”在水面，也都是表面张力的作用，并非浮力。

水膜竟成“放大镜”——水球光学实验

“好神奇，水球里看到人像，为啥一正一倒呀？”太空授课的水球光学实验，让观众们直呼“神奇”。原来，水球成像一正一倒的“秘密武器”便是水球中的气泡。

当航天员老师向往水球中打入一个气泡后，因为浮力和重力的消失，气泡不会向上飘，而是老老实实待在水球中，水球因此便被气泡分为了两部分，中间是打入的“空气球”，周围却是一层“水球壳”。此时，整个水球就变成了两个透镜，外圈成为了一个凸透镜，呈现出一个倒立的像。内圈相当于变成了两个凹透镜的组合，这个时候又出现了一个正立的像。因此可以在水球中同时看到一正一倒的两个像。

其实，透镜在生活中的应用有很多。我们知道凹透镜可以发散光线而凸透镜可以汇聚光线，将它们以不同的形式组合，便可以发挥不同的作用。我们经常用到的眼镜片、望远镜、照相机镜头等等，本质上都是光学透镜在发挥作用。

太空中的欢乐球——泡腾片实验

泡腾片在生活中再常见不过了，一片入水，气泡“咕嘟咕嘟”从水面涌出。然而在太空站中，气泡却只能乖乖呆在水球中，究竟是什么神奇的力量“束缚”住了它们呢？

原来，实验“泡腾片水球”也和浮力有关。在地球上，泡腾片产生的气泡会受到浮力的作用，不断上浮，从而涌出水面。而在空间站中，因为失重环境下浮力消失，气泡便会停留在原地。由于液体表面张力的作用，水球仍会保持球形，但泡腾片产生的气泡会将水球不断“吹大”。

空间站中的四个实验都跟“水”有关，用水做实验，与地球上的对比效果更好，水在空间站中也容易获得。其实，这些神奇的实验现象本质上还是由于空间站中没有重力的作用，浮力消失，表面张力的效果便会更加明显。事实上，水是航天员的生命之源，空间站上所有的水都是循环使用的。太空站中加了墨水的蓝色“欢乐球”，是不是像极了我们美丽的地球呢！

天链“母港”搭建信息“天路”——天地互动交流

此次的“天宫课堂”堪称史上最硬核的太空授课。45分钟的课堂里，坐在教室中的同学们与数百公里外太空站中的航天员老师互动交流。细腻的画质，清晰的图像，流畅的语音……无不让全世界的人们为之赞叹！那么，天地互动交流究竟是怎样实现的呢？

原来，此次天地授课是基于我国天链卫星系统，采用高速双向音视频传输，以天地对话等互动形式开展，舱内采用多台高清摄像机通过中继高速链路将高清视频实时传送至地面，地面上行两路高清图像送至舱内显示器，从而实现双向视频传输。

此外，为了确保授课顺利实施，研制团队对授课过程、天地协同程序进行了多次全流程协同演练。授课过程中地面工作人员实时监视空间站上各设备状态，同时监测天地链路状态，确保参与授课的所有设备工作正常，为航天员太空授课提供硬件保障。

“天宫”授课——祖国的航天梦

航天员老师王亚平曾说过：“飞天梦永不失重，科学梦张力无限！”太空授课的成功，不仅仅给全世界的孩子们上了生动的一课，更是向全世界展示了中华民族实现伟大复兴的雄心壮志。让我们携手并进，共同为祖国的航天梦、为伟大的中国梦努力奋斗！

作者 | 刘玉柱 南京信息工程大学教授、博导；江苏省科普作家协会会员

俞文杰 南京信息工程大学