“天宫课堂”神奇实验背后的奥秘( 二 ) 3月23日下午

吴彦旻介绍，通常熔炼物质都需要使用容器承载材料，就是坩埚，往往因此会引入杂质，在材料凝固过程中，会受容器影响，导致实验取得的数据不准确。
“无容器”就是不用容器承载，使物体在悬空的状态下实现熔炼的过程。再回头看亚平老师的实验，溶液球飘浮在空中，这次并没有使用固水环，和地面最大的不同是，材料在悬浮条件下完成了结晶变化。同样没有使用容器， “天宫课堂”还向大家展示了，无容器柜用激光加热合金小球到熔融状态以及再辉现象。
“容器对材料的生长影响还是挺大的，因为在材料生长的过程中容器的形状，它表面的结晶度，表面的粗糙度，对材料的晶格结构、缺陷、纯度都是有很大影响的。 ”中科院物理研究所研究员魏红祥进一步解释，特别是一些多元的合金，比方说两元或三元合金，由于它的浓度不一样，在地面上做的时候它会分层，在微重力环境下，它这方面的影响没有了，如果再把容器的影响去掉的话，就有可能长出纯度更高、结晶度更高、结晶更好的材料。
太空水油分离基本靠“甩”
在地面上，受重力影响，密度不同的水和油会出现分层现象。而在太空中，水和油分离的现象显然不同。王亚平老师将装有水和油的小瓶用力摇晃后，水油并没有分层，而是依然混合在一起，直到叶光富老师的“人工离心机”启动，才将水和油成功“甩”分层。
太空的微重力环境怎么来的？人们的第一感觉是去了太空当然就失重了，地球引力够不到了，真的是这样吗？
吴彦旻笑着回答：“咱可能小瞧地球大大的能力了。 ”他算了一下，空间站离地的高度大约400公里，这个是重力加速度的计算方法，分母就是地球半径的平方，计算得出，空间站轨道高度的重力水平并没比地面低太多，大约是地面重力水平的88.5% 。
那到底是什么原因呢？吴彦旻解释，空间站微重力的成因和它的飞行速度有关，目前公布的天宫空间站的飞行速度是7.68公里每秒，差不多是步枪子弹速度的10倍。这么快的速度如果没有什么力量拉着，那妥妥地就飞向宇宙了。此时尚存的88.5%的重力正好提供了一个恰到好处的向心力，保证空间站既没有飞离也不会坠落，它老老实实地围绕地球做圆周运动。
那为啥都要说微重力，而不是零重力呢？吴彦旻说，首先，地球不是一个理想的均匀球体，本身形状就不是，各部分的密度也不一样。它拉扯空间站的力道就有波动。其次，受空间站机动能力和稀薄大气的影响，空间站也很难做到速度恒定。此外，空间站是个复杂的机器设备，上面有各种仪器在运动，航天员每天还有大量的运动处方任务要完成。他说：“把空间站的环境描述为微重力是非常准确的说法。 ”
“液桥”实验操作简单原理高深
相比其他实验， “液桥”实验操作起来比较简单，这个看似简单的实验是怎么被选上天的呢？
王亚平在太空用水搭起一座“桥” ，相比于地面主课堂上同学们手里微小的液桥，她在空间站中的液桥可谓巨大。 “天宫课堂”授课专家组成员、中国科技馆科普讲师团副团长、北京交通大学副教授陈征揭秘， “天宫课堂”实验设计有三条基本原则。
陈征说：“第一是安全，不能危及空间站的运行，不能有任何的安全隐患。第二，实验现象要和地面有明显的差异，地面上完全不可能随便拿一杯水就能做出一个液桥的。第三是方便航天员的操作，不要给航天员太多额外的负担。这几方面液桥实验都很符合，所以就把它作为太空授课中的一个内容了。 ”
此外，看似简单的液桥实验其实并不简单。陈征解释，在大学教师看来，关于液桥已经不再仅讨论表面张力，而是需要让同学们关心物质的流动和能量的交换。
物理学界流传着一个故事，著名理论物理学家沃纳·海森堡临终前曾说：“当我见到上帝后，我一定要问他两个问题——什么是相对论，什么是湍流。我相信他只对第一个问题应该有了答案。 ”著名科学家理查德·费曼称湍流为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题” 。
陈征说：“空间站可以最大限度摆脱地面重力影响研究流体，给今天的物理学家创造了最好的探索条件。 ”
在太空授课过程中， “天宫课堂”地面主课堂授课教师、北京市第十三中学物理教师李晓彤和学生们同步做了液桥实验，她说：“同学们特别喜欢，觉得很神奇。 ”