為什麼空間站上能使用毛筆？

當宇航員進入太空時，傳統的鋼筆、圓珠筆必須依靠重力將墨水漏入筆尖，因而無法使用。鉛筆雖然可以正常書寫，但微小的導體石墨粉可能帶來災難性的後果。現代的太空筆依靠氣壓將墨水壓出。在神舟十三號的飛行任務中，翟志剛攜帶中國傳統文房四寶進入空間站，將中華兒女骨子裡的劍膽琴心展現得淋漓盡致。

1、失重與書寫

圖 1 神舟十二號航天員劉伯明在[開學第一課]中揮毫寫下“理想”二字

且慢，為什麼別的水筆不能用，毛筆這誕生於先秦的古老文具，能在 21 世紀的星海探險中發揮作用？

要回答這個問題，我們要首先思考一番，毛筆是怎麼書寫的。答案看起來很簡單：毛筆上面吸收了墨水，在筆尖與紙張接觸的時候，墨水就從筆尖轉移到了紙上。但是，如果深入思考，為什麼只有當毛筆接觸到紙張時，墨水才發生轉移，其他時候呢？

　圖 2 舔筆，如果蘸墨太多，就可以用硯台邊緣把多餘的墨水刮掉

實際上，墨水自動發生轉移也是常有的事情。初學者有時候會一口氣蘸上太多的墨水，墨水就會從筆尖上滴下來。毛筆蘸墨時會有特殊的技巧：只需把筆尖的一部分浸入墨中，這樣可以保證只吸入適量的墨水，墨水就不會從筆尖滴落。所以，一支毛筆能留住的墨水，有一個上限。

2、一股神奇的力

透過現象看本質，既然毛筆可以留住墨水，那麼一定有一個機制來克服重力，這個機制會是什麼呢？我們不妨看一看墨水分子受到哪些力。由於毛筆筆尖是一個開放的區域，各處的大氣壓是平衡的，於是只需要考慮重力與分子之間的相互作用。分為兩種，一部分是液體分子之間的互相作用，而另一部分是液體與容器壁分子之間的相互作用，使液體黏附或者疏離。兩種相互作用都有摩擦力，微觀上體現為電磁相互作用，如果在宏觀上結合起來，就帶來一種叫做毛細現象的神奇現象。

毛細現象是指，將一根毛細管浸入液體中，相比管外液面，管內液面會自發向上或向下發生移動。對於生活中常見的液體，例如水和酒精，它們在細管中均會上升。在化學實驗配置溶液時，使用量筒讀數時，視線應與凹液面最低處或者凸液面最高處平行。對於凹液面，由於水能浸潤玻璃，因此會被吸附在容器邊緣，再由於表面張力而沿着器壁自發移動，體現為上升，從而體現為邊緣高，中心矮。

　圖 3 不同液體中的玻璃毛細管

量筒中的水銀則反之：由於水銀不能浸潤玻璃，從而有強烈的趨勢“逃離”容器壁，表現為下降。當粗大的量筒不斷變細，細到液面發生變化的尺度，已經與管的直徑相當，此時細管內的液體將整體發生移動。管越細，液面上升或下降就越顯著，因此得名為毛細效應。

3、毛細現象的背後

毛細現象第一眼看上去很違反直覺。人們常說，“水往低處流”，為什麼水可以自發往高處移動？能量守恆定理告訴我們，能量不會憑空產生或消失，液柱上升的過程伴隨重力勢能的增大，因此一定能找到另一種能量，在這個過程中是降低的。沒錯，這種能量來自液體的表面張力。

首先考慮液體-氣體（或者真空）的交界面。在界面兩側，液體分子的組合形式有很大的差異。

　圖 4 液體與界面處的分子有不同的相互作用大小

在液體表面與內部，液體分子之間形成的相互作用很不相同。表面的液體分子互相連接更少，相互作用更弱，於是兩側受力不均。在這種受力不均的情況下，內部受力較大，將自發向外部“突出”，於是在不受重力的情況下，一團液體將呈現球形。在這種情況下，表面張力將使液體分界面變彎，使之達到能量最低的穩定狀態。

而在液-固交界面，除了液體分子相互作用的作用力，液體分子與固體分子（原子）的相互作用也變得不可忽視。分子之間的相互作用，通常可以用萊納德-瓊斯勢表示：

圖 5 分子間相互作用與距離的關係

對於液體與固體分子之間的典型距離，二者之間存在互相吸引的相互作用。如果液面與固體的吸引力超過液體分子之間的吸引力，我們就認為，固體表面可以吸附住液滴，叫做浸潤。例如水能浸潤玻璃，但不能浸潤蠟燭。但如果液體分子之間的相互作用更強，例如水銀原子之間的相互作用強於水銀與玻璃分子之間的相互作用，液體就不能浸潤固體。

圖 6 液滴在固體表面的形式，化學實驗中，燒杯要洗到呈現水膜（a），不能聚成水滴或成股流下（b、c），就利用了浸潤原理

綜合液體分子之前的相互作用，以及液體分子與外部固體分子的相互作用，我們就得到了表面張力，並依據這兩種相互作用的大小，將液體-固體分為浸潤與否兩類。

問題的解答就是這樣。毛細現象實際上要求達到一種平衡：液體分子相互作用，與液體與表面相互作用的平衡。在達到這個平衡的過程中，液體表面會發生變形。毛筆的材料，獸毛，也就是蛋白質，像玻璃一樣可以被水浸潤。由於分子間相互作用不受重力影響，毛細現象在空間站裡面自然也可以發生，於是毛筆在失重條件下，也可以一如既往地吸入墨水，並正常書寫了。

4、毛細現象的利用

從毛細現象的描述，我們可以直接得到兩個推論：

1、由於阻力的存在，毛細現象並不能用來持續做功，一切“永動機”都是不可能實現的。

2、如果沒有摩擦力，那麼毛細管將不斷把液體吸到高處，直到充滿整根管子或者從頂部噴出。

2 正是著名的“超流”現象。超流是一類宏觀的量子現象，其原理較為複雜，本文不再詳細描述。從直觀上講，超流體的特徵是流動時不受到阻力，它和正常流體之間在微觀結構上存在巨大的差異，像液態-氣態那樣，分屬於不同的物態。特定溫度下的液氦就屬於這樣的超流體，它們可以從毛細管中噴出，形成噴泉。

　圖 7 超流液氦噴泉

液氦噴泉仍然滿足能量守恆：當液氦從毛細管中噴出后，容器里的液氦溫度會上升，這個現象被稱為“機械熱效應”。當超流液氦被加熱到特定溫度，也就是大約零下 271 ℃（準確來說，大約是 2.18K）時，超流液氦變成普通液氦，噴泉停止工作。整個過程相當於原來的化學能（本質上是電磁相互作用的勢能）變成了重力勢能與動能，而後再變為化學能。

另外非浸潤也有強大的利用價值，例如水銀與玻璃。將水銀倒入量筒中，它的液面向上凸起，表明水銀會自發沿着玻璃壁下降。因為這個性質，在玻璃毛細管中，水銀會下降，而不是像水那樣上升。這個性質被人們利用在體溫計製作中：體溫計的玻璃液泡與測量管之間有一條很狹窄的細管。