天天观点：太空中违反直觉的“旋转”，在地球上也有实现的可能！专家解析“天宫课堂”的科学原理

10月12日，“天宫课堂”第三课在中国空间站正式开讲。神舟十四号飞行乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲面向广大青少年进行太空授课，这是中国航天员首次在问天实验舱内进行授课。这一次，科研人员所做的实验，很多都能在地球上进行，在太空中，这些实验又有什么新变化？扬子晚报/紫牛新闻记者特邀多位专家，解析天宫课堂背后的科学原理。

(相关资料图)

水管越粗液体反而上升越慢，这是“毛细现象”

航天员陈冬、刘洋展示了失重环境下液体显著的“毛细现象”。在太空中，三根粗细不同的塑料管，同时放入装满水的培养皿，管内加了黄颜料的液体不断上升，直到管顶。和我们预想的并不一样，相对较粗的塑料管中，液体上升的速度并不算快，反倒是最细的一根塑料管，液体上身速度最快。

“这个实验叫做毛细效应实验，它展示了失重环境下液体显著的毛细现象。”南京航空航天大学教授李晋斌科普道，毛细现象是指液体在细管状物体内侧,由于内聚力与附着力的差异,克服地心引力而上升的现象。管的内径越细，毛细现象越明显。

专家介绍，毛细现象在生活中其实随处可见。如十多米的大树，它根部的水分和养分都是极细的毛细管向上输送到树梢的。相比起同学们在地面做的实验，太空的毛细效应实验没有了重力的束缚，毛细效应的表面张力作用会更加明显，这也是太空中液体能够升至管顶的原因，“在地面上，当液体受到向上张力跟液柱所受重力相等时，液体就会停止上升，达到平衡。”李晋斌说。

别看这个实验简单，里面涉及的原理还是相对复杂的。科学家需要研究这些看似简单的现象，然后利用相关原理去解决遇到的问题。如，航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了毛细作用。

违反直觉的“旋转”，在地球上也有实现的可能

在太空中，旋转的T字形扳手在没有外力干扰的情况下，会自己掉头翻转。这个“会调头的扳手”让观众倍感神奇。

“在失重且没有外力干涉的环境下，空间站里的物品会飘在半空中，沿着最初旋转它的主轴一直保持翻转。”李晋斌告诉记者，这种看上去“约定俗成”的规律，在1985年被苏联航天员贾尼别科夫发现了“例外”。他在空间站维修过程中，偶然发现自己拧下的螺母，并没有按照他既往预想中的那样进行旋转，而是在旋转的过程中忽然倒转了180度，然后继续翻转，并在接下来的一段时间内继续旋转180度，周而复始。这个现象就以他的名字被称为贾尼别科夫现象。旋转的T字形扳手会自己掉头翻转就是一种贾尼别科夫现象。

事实上，贾尼别科夫现象在地面也可以实现。1991年，有科学家用网球拍做了定量实验，分别使网球拍沿着与手柄所在的直线重合的轴、平行于球拍网格面与手柄所在的直线垂直的轴和垂直于球拍网格表面的三条旋转轴对其进行抛掷，只有在第二种情况，网球拍会自己在空中又转动半圈，从而使拍面发生变化。

正如旋转的不同扳手、网球拍不同轴，有时出现贾尼别科夫现象，有时不出现贾尼别科夫现象，这个效应与物体质量分布、旋转方式有着很大关系。

就是这么一个违反直觉的现象，曾经把人类吓得不轻。当我们从太空遥望地球，那么地球是悬浮在失重的太空中的，并且也绕着自转轴不停地在旋转。那么地球会不会天宫课堂的扳手一样发生180度的旋转呢？事实上，地磁南北极的确不是固定不动的，在过去的45亿年里地磁的南北极出现过多次翻转。科学家研究表明，以地球目前在太空旋转方式，并不会出现“贾尼别科夫效应”现象，所以地磁场翻转另有原因。

研究拟南芥的太空生长，可以帮助科研人员“举一反三”

在这堂课中，航天员还晒出了自己在太空中种下的水稻和拟南芥，并与地球上的同学们进行了“天地共播一粒种”对比。空间站里的水稻和拟南芥究竟肩负着什么样的科研使命？

南京大学生命科学学院孙博教授告诉记者，拟南芥在植物世界里的“地位”，类似于动物实验中的“小白鼠”，因为生长周期短、基因组小的特点，成为了植物世界里“模式植物”的代表之一。“拟南芥是地球上最早被完全测序的植物，全世界的科学家对于拟南芥的研究相对比较深入一些。因此，通过拟南芥的培育，可以了解其他植物生长发育的特点。”

孙博教授告诉记者，相对于模式植物拟南芥，小麦、水稻等地球上常见的粮食作物基因组会复杂一些，了解了拟南芥在空间站生长的各项指标，可以对水稻、小麦等作物在太空中的培育有借鉴作用。

在地球上，拟南芥适合在北温带地区生长，如中国的华东、西北等地区，在江苏的野外也有发现；同时，拟南芥对于生长的温度、营养、光照都有一定的要求，得在十几摄氏度到二十几摄氏度的生长环境中成长，太冷或者太热都长不出，普通的“水培”方式长出来也不会很好，营养一定得充足。

链接：航天员们首次在中国空间站实验舱开课

第三次的“天宫课堂”也是航天员们首次在中国空间站实验舱开课。前两次“天宫课堂”，神舟十三号的航天员都是在天和核心舱内授课。自6层高的问天实验舱上天后，航天员就有了自己的豪华实验室。据了解，问天实验舱组装了生命生态实验柜、生物技术实验柜等各个科学实验柜，还有科学手套箱、低温存储柜等科学实验设施。科学手套箱为我们提供了一个密闭洁净的操作空间，让我们的实验更加便捷可控，未来问天舱内还将安装一台灵巧机械臂和一套显微操作系统，在它们的共同配合下，就可以给细胞做手术、穿刺，操作精度可以达到5微米。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

校对 盛媛媛

关键词： 毛细现象 中国空间站 模式植物