10月12日，“天宮課堂”第三課在中國(guó)空間站正式開(kāi)講。神舟十四號(hào)飛行乘組航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲面向廣大青少年進(jìn)行太空授課，這是中國(guó)航天員首次在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行授課。這一次，科研人員所做的實(shí)驗(yàn)，很多都能在地球上進(jìn)行，在太空中，這些實(shí)驗(yàn)又有什么新變化？揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞特邀多位專(zhuān)家，解析天宮課堂背后的科學(xué)原理。

水管越粗液體反而上升越慢，這是“毛細(xì)現(xiàn)象”

航天員陳冬、劉洋展示了失重環(huán)境下液體顯著的“毛細(xì)現(xiàn)象”。在太空中，三根粗細(xì)不同的塑料管，同時(shí)放入裝滿(mǎn)水的培養(yǎng)皿，管內(nèi)加了黃顏料的液體不斷上升，直到管頂。和我們預(yù)想的并不一樣，相對(duì)較粗的塑料管中，液體上升的速度并不算快，反倒是最細(xì)的一根塑料管，液體上身速度最快。

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)叫做毛細(xì)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，它展示了失重環(huán)境下液體顯著的毛細(xì)現(xiàn)象。”南京航空航天大學(xué)教授李晉斌科普道，毛細(xì)現(xiàn)象是指液體在細(xì)管狀物體內(nèi)側(cè),由于內(nèi)聚力與附著力的差異,克服地心引力而上升的現(xiàn)象。管的內(nèi)徑越細(xì)，毛細(xì)現(xiàn)象越明顯。

專(zhuān)家介紹，毛細(xì)現(xiàn)象在生活中其實(shí)隨處可見(jiàn)。如十多米的大樹(shù)，它根部的水分和養(yǎng)分都是極細(xì)的毛細(xì)管向上輸送到樹(shù)梢的。相比起同學(xué)們?cè)诘孛孀龅膶?shí)驗(yàn)，太空的毛細(xì)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有了重力的束縛，毛細(xì)效應(yīng)的表面張力作用會(huì)更加明顯，這也是太空中液體能夠升至管頂?shù)脑颍霸诘孛嫔希?dāng)液體受到向上張力跟液柱所受重力相等時(shí)，液體就會(huì)停止上升，達(dá)到平衡。”李晉斌說(shuō)。

別看這個(gè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，里面涉及的原理還是相對(duì)復(fù)雜的。科學(xué)家需要研究這些看似簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，然后利用相關(guān)原理去解決遇到的問(wèn)題。如，航空器發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料儲(chǔ)箱、高空熱管都利用了毛細(xì)作用。

違反直覺(jué)的“旋轉(zhuǎn)”，在地球上也有實(shí)現(xiàn)的可能

在太空中，旋轉(zhuǎn)的T字形扳手在沒(méi)有外力干擾的情況下，會(huì)自己掉頭翻轉(zhuǎn)。這個(gè)“會(huì)調(diào)頭的扳手”讓觀眾倍感神奇。

“在失重且沒(méi)有外力干涉的環(huán)境下，空間站里的物品會(huì)飄在半空中，沿著最初旋轉(zhuǎn)它的主軸一直保持翻轉(zhuǎn)。”李晉斌告訴記者，這種看上去“約定俗成”的規(guī)律，在1985年被蘇聯(lián)航天員賈尼別科夫發(fā)現(xiàn)了“例外”。他在空間站維修過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)自己擰下的螺母，并沒(méi)有按照他既往預(yù)想中的那樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而是在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中忽然倒轉(zhuǎn)了180度，然后繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，并在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180度，周而復(fù)始。這個(gè)現(xiàn)象就以他的名字被稱(chēng)為賈尼別科夫現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)的T字形扳手會(huì)自己掉頭翻轉(zhuǎn)就是一種賈尼別科夫現(xiàn)象。

事實(shí)上，賈尼別科夫現(xiàn)象在地面也可以實(shí)現(xiàn)。1991年，有科學(xué)家用網(wǎng)球拍做了定量實(shí)驗(yàn)，分別使網(wǎng)球拍沿著與手柄所在的直線重合的軸、平行于球拍網(wǎng)格面與手柄所在的直線垂直的軸和垂直于球拍網(wǎng)格表面的三條旋轉(zhuǎn)軸對(duì)其進(jìn)行拋擲，只有在第二種情況，網(wǎng)球拍會(huì)自己在空中又轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，從而使拍面發(fā)生變化。

正如旋轉(zhuǎn)的不同扳手、網(wǎng)球拍不同軸，有時(shí)出現(xiàn)賈尼別科夫現(xiàn)象，有時(shí)不出現(xiàn)賈尼別科夫現(xiàn)象，這個(gè)效應(yīng)與物體質(zhì)量分布、旋轉(zhuǎn)方式有著很大關(guān)系。

就是這么一個(gè)違反直覺(jué)的現(xiàn)象，曾經(jīng)把人類(lèi)嚇得不輕。當(dāng)我們從太空遙望地球，那么地球是懸浮在失重的太空中的，并且也繞著自轉(zhuǎn)軸不停地在旋轉(zhuǎn)。那么地球會(huì)不會(huì)天宮課堂的扳手一樣發(fā)生180度的旋轉(zhuǎn)呢？事實(shí)上，地磁南北極的確不是固定不動(dòng)的，在過(guò)去的45億年里地磁的南北極出現(xiàn)過(guò)多次翻轉(zhuǎn)。科學(xué)家研究表明，以地球目前在太空旋轉(zhuǎn)方式，并不會(huì)出現(xiàn)“賈尼別科夫效應(yīng)”現(xiàn)象，所以地磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)另有原因。

研究擬南芥的太空生長(zhǎng)，可以幫助科研人員“舉一反三”

在這堂課中，航天員還曬出了自己在太空中種下的水稻和擬南芥，并與地球上的同學(xué)們進(jìn)行了“天地共播一粒種”對(duì)比。空間站里的水稻和擬南芥究竟肩負(fù)著什么樣的科研使命？

南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孫博教授告訴記者，擬南芥在植物世界里的“地位”，類(lèi)似于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的“小白鼠”，因?yàn)樯L(zhǎng)周期短、基因組小的特點(diǎn)，成為了植物世界里“模式植物”的代表之一。“擬南芥是地球上最早被完全測(cè)序的植物，全世界的科學(xué)家對(duì)于擬南芥的研究相對(duì)比較深入一些。因此，通過(guò)擬南芥的培育，可以了解其他植物生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)。”

孫博教授告訴記者，相對(duì)于模式植物擬南芥，小麥、水稻等地球上常見(jiàn)的糧食作物基因組會(huì)復(fù)雜一些，了解了擬南芥在空間站生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)，可以對(duì)水稻、小麥等作物在太空中的培育有借鑒作用。

在地球上，擬南芥適合在北溫帶地區(qū)生長(zhǎng)，如中國(guó)的華東、西北等地區(qū)，在江蘇的野外也有發(fā)現(xiàn)；同時(shí)，擬南芥對(duì)于生長(zhǎng)的溫度、營(yíng)養(yǎng)、光照都有一定的要求，得在十幾攝氏度到二十幾攝氏度的生長(zhǎng)環(huán)境中成長(zhǎng)，太冷或者太熱都長(zhǎng)不出，普通的“水培”方式長(zhǎng)出來(lái)也不會(huì)很好，營(yíng)養(yǎng)一定得充足。

鏈接：航天員們首次在中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙開(kāi)課

第三次的“天宮課堂”也是航天員們首次在中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙開(kāi)課。前兩次“天宮課堂”，神舟十三號(hào)的航天員都是在天和核心艙內(nèi)授課。自6層高的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙上天后，航天員就有了自己的豪華實(shí)驗(yàn)室。據(jù)了解，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙組裝了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜等各個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，還有科學(xué)手套箱、低溫存儲(chǔ)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。科學(xué)手套箱為我們提供了一個(gè)密閉潔凈的操作空間，讓我們的實(shí)驗(yàn)更加便捷可控，未來(lái)問(wèn)天艙內(nèi)還將安裝一臺(tái)靈巧機(jī)械臂和一套顯微操作系統(tǒng)，在它們的共同配合下，就可以給細(xì)胞做手術(shù)、穿刺，操作精度可以達(dá)到5微米。

揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞記者 楊甜子

校對(duì) 盛媛媛