2022年3月23日下午,中國空間站「天宮課堂」開講,王亞平老師用一顆乒乓球和一杯水作道具,生動講解了浮力的原理,以及浮力在太空是如何「消失」的。天宮課堂引人入勝,讓在地面吃瓜的我們受益匪淺,視頻被製成英文版本在網路流傳,也吸引了眾多外國觀眾的注意,不少人稱讚「這很出色」、可以「更好地理解科學」。
天宮課堂風靡全球
然而令人沒想到的是,三個月之後這段視頻突然又「火」了起來,因為有外國網友發現了一個「驚天大秘密」——它很可能是在地面拍攝的,這意味著中國航天員根本沒有上天,空間站也是假的!
這到底是怎麼回事?
如果你仔細看上面太空課堂授課時的畫面,不難發現三名中國航天員穩穩地站在空間站里,而「眼尖的外國網友」更是注意到檯面上杯子里的水面也是平的,與地面上完全一樣。於是他在推文里說:「Faking Space is a Television Show」(假太空是一部電視劇)後邊還加上了小丑和魔鬼的表情:
「外國網友」因一杯水質疑擺拍
外國網友的這一「重要發現」迅速引起某些國內賬號的熱烈回應,紛紛開啟腦洞冷嘲熱諷「降落在橫店太空中心」、「應該改成正步走」。
雖說這些無知的議論看起來很可笑,但對科學的質疑終究要以科學來回應,所以我們今天就來認真講一講,為什麼杯子里的水面是平的,並且沒有在太空飄起來;天宮課堂真的是「橫店作品」嗎?
如果你看過王亞平老師的太空授課,應該對她從課面拿起杯子的動作印象深刻。王亞平用雙手握住杯子,很小心地往上提、用力,最後把杯子「拽」離了桌面。
王亞平把杯子「拽」離桌面
為什麼在太空拿起水杯要這麼費勁?因為杯子的底下粘著魔術貼,而桌面上那一條條的同樣也是尼龍粘扣帶,做實驗的杯子正是靠魔術貼才能固定在桌面上,不然它就會飄走。
實際上中外空間站里的許多地方都有類似的尼龍粘扣帶,航天員用的筆、叉子勺子、裝食品飲水的袋子、以及工具物品上也會有這個東西,只要粘上它們就不會到處亂飛。
魔術貼在空間站里廣泛運用
有朋友說,為什麼不用磁鐵或磁性的貼片,那樣不是更方便嗎?這可能是因為空間站主要用來做各種空間科學實驗,需要保持相對「乾淨」的電磁環境,磁鐵用得多了可能會對一些敏感的測量儀器和設備造成干擾。而魔術貼就不存在干擾的問題,它背面有膠,哪兒需要往哪兒粘,不用時扯掉就完了。
同樣地,航天員在空間站里為了保持身體姿態,也會時時將雙腳插進艙內壁的環扣里固定自己,否則飄來飄去沒辦法工作。
現在讓我們講一講那個太空「浮力消失」的實驗。
乒乓球被壓下時,水平受到擾動發生傾斜
都說太空失重,為什麼水會「老老實實」地呆在杯子里,並且水面跟在地球上一樣保持水平?
許多人都以為在太空失重狀態下,水會自然地團成一顆球形,它不應該呆在杯子里,而是會飄在空中,就像俄羅斯宇航員曾經演示的那樣:
俄羅斯宇航員演示太空吞水球
當水在空間站里不接觸到其它物體時,它的確會自動形成一個圓圓的球。這是因為空間站繞地球飛行,它和其內部所有的物體處於「微重力」狀態,這在物理上近似於「慣性參考系」。在慣性參考系裡,由於沒有重力或其它加速度變化,水分子之間氫鍵的力起主導作用,在宏觀上表現為「表面張力」,這個表面張力會將水拉成一個球形。
表面張力源於水分子之間氫鍵的作用力
因為表面張力,水在微重力下只會團成球形嗎?並不是這樣。
我們平時洗手之後,單靠甩手很難把水全部甩掉,手會是濕的,因為水會粘在皮膚上。如果你仔細觀察王亞平的太空課程,也會發現當她將乒乓球放到杯子水面時,球會明顯「下沉」。
乒乓球接觸水面後明顯「下沉」
通過對這個視頻的截圖,我們不難看出,即使王亞平沒有「按」乒乓球的動作,球淹沒在水裡的部分也超過了直徑的三分之一。造成這一現象的原因就是水的「浸潤作用」,同樣地,即使是在太空微重力條件下,水也會因為浸潤現象而被約束在杯子里,不能飄出來。
水的浸潤現象
水分子是極性分子,因為分子中氫原子唯一的電子被氧佔據,造成分子表面電荷分布的不平衡,氫原子端帶微弱的正電,而氧原子因為「搶」了兩個電子而帶負電。這樣一來水分子之間就因為電荷正負相吸形成了氫鍵。但是玻璃或乒乓球表面分子對水分子的吸引力更強,所以水分子被拉到玻璃和乒乓球的表面,這就是浸潤現象。
由於浸潤現象的存在,加上水分子之間又有表面張力,只要小心地往杯子里注水,它就能形成像地面那樣的「水平面」,不會輕易跑出來。這也是在太空中沒辦法用普通杯子喝水的原因。
這個「水平面」並不是由地球重力造成的,而是浸潤與水表面張力共同作用的結果。
杯子翻滾,水不會撒出來
因為空間站里是微重力環境,浸潤與表面張力起主導作用,即使我們將杯子在空中翻轉,水也不會外溢出杯子,這正是科學的神奇之處。
至於說幾個「老外」,或者國內某些「聰明人」質疑與嘲笑,或許是他們對科學的一知半解,或許是深藏於心的刻板印象,只要他們自己不覺得尷尬,就由它去吧。