昨天15時45分，“天宮課堂”第四課在中國空間站開講。神舟十六号航天員景海鵬、朱楊柱和桂海潮組成的“博士乘組”在軌介紹了新“教室”——中國空間站夢天實驗艙的工作生活場景，展示了一系列太空微重力環境下的奇妙科學實驗現象。
天地互動的授課模式依舊延續。北京市、内蒙古自治區阿拉善盟、陝西省延安市、安徽省桐城市和浙江省甯波市共設5個地面課堂，約2800名學生代表現場聽課。北京航空航天大學是北京地面課堂所在，也是桂海潮任職的學校。太空“出差”近4個月後，他的學生們再次看到老師上“講台”。
9月21日，在内蒙古阿拉善盟額濟納旗，學生在做趣味實驗。新華社發
9月21日，在北京航空航天大學，學生收看“天宮課堂”第四課。新華社記者 鞠煥宗攝
中國科學院附屬實驗學校師生做“天地對比”實驗。本報記者 和冠欣攝
科學實驗裝置“躺”在頭頂
夢天實驗艙集中了空間站最多的科學實驗裝置，能夠提供13個科學實驗櫃的安裝空間。一上課，景海鵬就擔任攝像師，通過鏡頭介紹“教室”。
與問天實驗艙不同，夢天實驗艙内沒有設定睡眠區、衛生區等。它的氣閘艙也不是用于航天員出艙活動的，其配備的載荷轉移機構像一輛擺渡車，可以與艙外機械臂配合實作貨物自動進出艙。在朱楊柱和桂海潮的引領下，鏡頭聚焦核心區域，兩相系統實驗櫃、流體實體實驗櫃、線上維修裝調實驗櫃等多台空間科學實驗櫃逐一露臉。
與地面不同，“教室”裡的科學裝置不是站在地面上，而是360度地擺放。這是因為在太空微重力環境下，沒有上下左右等方位之分，是以鏡頭中，高溫材料實驗櫃穩穩地“躺”在航天員的頭頂。朱楊柱诙諧地把它比作“太空煉丹爐”——爐溫可以達到1600攝氏度，能夠開展各種新型材料的研究制備。
朱楊柱透露，首批在“煉丹爐”中接受高溫考驗的材料，已經跟随神舟十五号傳回地面。其中，硒化铟半導體材料有非常好的柔性性能，可以任意彎曲和折疊，非常适合制作新型半導體電子器件，有希望推動半導體技術的進步和更新換代。
“煉丹爐”附近，還有一台超冷原子實體實驗櫃。它可以創造接近絕對零度的超低溫，能顯現肉眼可見的宏觀量子現象，幫助科研人員探索量子力學的奇異世界。
航天員腳下的裝置學名為航天基礎實驗櫃，正在進行微藻的培養與熟化、液态金屬空間熱管理等5項實驗。他特别介紹了微藻實驗——主要探索在失重環境下微藻的長期培養，開展微藻食品的原位加工等研究，“這是我們面向未來星際航行的一次非常有益的嘗試和探索。”
在空間站裡點“火”打“水”球
今年2月，夢天實驗艙燃燒科學實驗櫃完成了首次點火實驗。從回傳圖像可以看出，在微重力環境下，甲烷火焰變得短且圓。
這回開課，“博士乘組”在空間站裡點起了蠟燭，邀請學生們觀察火焰呈現的特點。朱楊柱先取出一支蠟燭，桂海潮劃燃火柴嘗試點燃。“在空間站點蠟燭其實存在一定風險，為此我們做了充分的準備。”桂海潮說。
在地面課堂，老師也點燃了一支蠟燭。天地之間，兩根蠟燭的火焰一個呈現“藍色，形狀近似球形”，一個則是“亮橘色、錐形”。朱楊柱輕輕轉動蠟燭，火焰形狀幾乎沒有變化。而地面的蠟燭火焰會随空氣流動擺動。
“地面有重力作用，熱氣上升，冷氣下降，形成浮力對流，是以火焰呈現錐形。但空間站的微重力環境幾乎消除了這種對流，燃燒後的氣體向各個方向運動的趨勢相同，是以不管蠟燭朝向哪個方向，火焰都近似球形。”桂海潮說，也正是因為對流微弱，氧氣的補充不如地面及時，空間站裡的蠟燭燃燒也不如地面充分，火焰的溫度更低，才呈現出藍色。
剛結束一場與火相關的實驗，朱楊柱又做了一個“水”實驗。他用水袋擠出一個水球，桂海潮拿起普通的乒乓球拍打過去，水球沒被彈出，反而粘到了球拍表面。
朱楊柱拿出“秘密武器”——在軌運動時擦汗的幹毛巾。将毛巾包在球拍表面，再一揮拍，水球變成了“乒乓球”。
“準備接球！”
“朱老師打了一個好球！”
這場太空“乒乓球賽”，示範了水的表面張力及疏水材料特性。北京交通大學實體科學與工程學院副教授陳征說，毛巾具有一定疏水性，讓水不會被迅速吸入纖維内，而是待在纖維表面或被擠壓到纖維之間，是以航天員才可以打“水球”。在日常生活中，類似的工藝被應用在沖鋒衣、速幹衣的面料中，當纖維間的空隙大于水分子的尺寸，就能做到既透氣又速幹。
“太空轉身”再現空間站
随着課程推進，實驗也從現象觀察層面逐漸深入到定量探究。“博士乘組”在夢天氣閘艙艙門上貼了标準網格布，一平方米大小。桂海潮瞄準一個靜止的鋼球，抛出手中鋼球。在網格布的襯托下，兩球碰撞後的軌迹一目了然。
這個簡單的碰撞實驗，是為了驗證空間裡的動量守恒。陳征解釋，碰撞現象在生活中很常見。但大家或許意識不到，現代實體學中最基礎的動量、動能等概念，都是科學家在對碰撞問題研究的基礎上建立的。
課堂上，還有經典再現。此前，神舟十三号乘組航天員葉光富掄起手臂轉動，帶動整個身體在空中旋轉起來。再現“太空轉身”，桂海潮用一個陀螺輔助。它可以縱向旋轉，兩側均有握柄。
浮在空中的桂海潮先握住靜止的陀螺，左右手交替擡高、放下，身體姿态沒有發生變化。當朱楊柱讓陀螺快速轉動起來後，再做出同樣動作的桂海潮，身體明顯發生了轉動。這展現的是角動量守恒原理。
“同學們可以把我的身體想象成空間站，雙手和手中的陀螺，是一種特殊裝置，叫做控制力矩陀螺。”桂海潮說，這個裝置能實作四兩撥千斤。僅需幾百公斤的陀螺，就能讓重量近百噸的空間站在太空中輕松自如地轉身。
“需要注意的是，角動量有大有小，不管是讓桂老師轉身，還是讓空間站轉身，陀螺的重量、尺寸、轉速等都經過了定量設計和計算。不然的話，效果就沒那麼好了。”朱楊柱将話題延伸到了科研過程，做科學研究絕不能停留在定性觀察，應該透過現象看本質。實體學是一門高度定量化的學科，挖掘現象背後的定量特性，才能更好地掌握規律、運用規律。
記者對比曆次“天宮課堂”的課表發現，“太空教師”的授課内容正逐漸從引起學生對科學的興趣轉向展開科學探究。此次授課過程中，航天員專門提供了實驗小球的品質、網格布尺寸等基礎資訊。“碰撞實驗的背景加挂網格布，是我提出的建議，很榮幸被采納了。”陳征說，有了可參照的背景，低齡的學生能更清晰地觀察到碰撞現象，高年級學生則可以從中獲得位置資訊，這就是從定性走向定量。“對實體教師來說，這段視訊也能成為日後課堂教學的素材。”
太空答疑
在空間站沒看到太空垃圾
内蒙古地面課堂學生：能看到太空垃圾嗎？空間站有沒有采取相應的防護措施？
景海鵬：太空垃圾一般被稱為太空碎片或空間碎片，确實存在，對空間站的潛在危害也不小。我們經常透過空間站的舷窗去看，甚至還用望遠鏡去找。不過到目前為止，還沒有發現太空垃圾的蹤影。航天科技人員會時刻緊盯太空垃圾，一旦發現對空間站存在威脅的，會通過軌道機動等措施主動規避。空間站也安裝了一些防護裝備，仿佛穿上了铠甲，即使碰到一些空間碎片也沒關系。
出艙遇到陽照區要戴“墨鏡”
浙江地面課堂學生：與地面上看到的太陽和與飛機上看到的地球相比，在空間站看地球、看太陽有什麼差別？朱楊柱：在空間站看地球，更加遼闊、更加壯觀。
在空間站看太陽則要格外注意。因為沒有了大氣層，陽光會變得特别強烈耀眼。出艙活動時，航天員在陽照區必須使用特殊的防護面窗，類似專用“墨鏡”，防止眼睛被灼傷。在空間站，航天員一天可以看到16次日出日落。
每天都要進行體育鍛煉
陝西地面課堂學生：在太空長期“出差”，怎樣克服失重環境對人體的不利影響？
朱楊柱：失重環境對航天員的影響包括體液的重新分布、肌肉萎縮、骨丢失等。不過不必擔心，科研人員為航天員精心設計了企鵝服等防護裝置。航天員每天都要進行體育鍛煉，大到太空跑台、太空自行車、抗阻鍛煉設施，小到握力器、拉力器等，都可以幫助對抗肌萎縮和骨丢失。目前，這些防護措施非常有效。
空間站安裝了北鬥定位裝置
北京地面課堂學生：空間站在太空中飛行，周圍沒有明顯的參照物，該怎樣判斷空間站的姿态和軌道變化？
桂海潮：空間站上安裝有特殊的敏感器，包括地球敏感器、太陽敏感器、星敏感器等，幫助空間站确定姿态。同時，大陸的北鬥衛星定位系統也能為空間站“指路”。
空間站在太空中的飛行是有特定規律的，可以用軌道力學的方法計算“将往哪兒去”。航天員隻需打開儀表，空間站的“地理資訊”就一目了然了。
1億年誤差不超過1秒
安徽地面課堂學生：高精度時頻實驗櫃到底有多精準？有哪些用途？
桂海潮：目前，地面的原子鐘可以做到千萬年誤差不超過1秒。而空間站内的冷原子微波鐘可以做到1億年誤差不超過1秒。這種超高精度的時間基準，既能用于基礎實體的研究，如支撐相對論等相關理論的高精度檢驗，也可以為太空中飛行的衛星提高定位精度及其他性能。
現場反響
“或許未來有機會讓桂老師乘坐我們設計的飛船，再上太空！”
本報記者 劉蘇雅
北京航空航天大學宇航學院直博生蘇文傑是桂海潮的學生，通過視訊方式在課上見到自己的導師，她心情激動地說，空間站是一個很棒的科研平台，很多地面無法開展的實驗都能在這裡開展，“希望未來能在太空中看到更多實驗，我也期待投身航天事業，或許未來有機會讓桂老師乘坐我們設計的飛船，再上太空！”
作為北京地面課堂的教師，北京航空航天大學宇航學院副教授張曉天與桂海潮做了一次“天地搭檔”。“看到桂海潮在空間站裡，就像平時在辦公室或實驗室看到他的狀态一樣，我作為他的同僚也特别高興。”“桂老師這次太空之旅，對北航的學生來說，就是夢想照進現實的過程。”北京航空航天大學宇航學院黨委書記劉睿說，這種天地對話的授課形式，能給學生更大的激勵。“期待桂老師回到地球、回到學校，再為同學們講述他在空間站的工作狀态、研究方向，共同探索新的科學載荷研制，開展新的工作。”
“天地對比”實驗點亮學生科學夢想
本報記者 牛偉坤
“同學們，把自己的桌面清一下。”昨天16時40分左右，中國空間站第四次太空授課剛結束，中國科學院附屬實驗學校化學老師王珍珠走上講台，拿出準備好的蠟燭，繼續開講。
王珍珠小心點燃手中的蠟燭。“同學們，仔細看，老師手中蠟燭的火焰是什麼形狀的？”“錐形！”
“這跟大家剛剛看到的火焰不是一個形狀。”她接着說，“剛剛空間站的老師給我們解釋了，背後的差異與重力有關。”
在太空授課的基礎上，王珍珠又補充了新的知識點，并不是所有的物質燃燒都會有火焰，可燃液體或固體須先變成氣體，才能燃燒而生成火焰。
王珍珠簡單的授課結束，實體老師李靜笑吟吟地說：“我來給大家表演個小魔術。”她在一隻手上鋪上毛巾，另一隻手拿起蘸有泡泡液的吸管，輕輕吹了一口氣，小氣泡輕輕脫落，還未碰到毛巾就消失了。學生們發出惋惜的聲音。李靜說：“這也告訴我們，實驗不是一次就能成功的，做科研需要有毅力。”
多次嘗試後，小氣泡終于在毛巾上完成了多次彈跳。看到“魔術”成功，學生們發出贊歎。李靜繼續啟發學生，希望同學們也能跳出正常，大膽設想，說不定哪天就會有新的發現。
“老師的補充實驗讓我對太空授課的内容有了更詳細的了解，對科學産生了更加濃厚的興趣。”九年級學生塗豫平說。學生雙思成被燃燒實驗深深吸引：“科學太有趣了！未來，我也要為科技的進步貢獻自己的力量。”
來源：北京日報
本報記者 劉蘇雅