为什么空间站上能使用毛笔

当宇航员进入太空时，因为传统的钢笔、圆珠笔必须依靠重力将墨水漏入笔尖，所以无法使用;铅笔虽然可以正常书写，但微小的导体石墨粉可能带来灾难性的后果;现代的太空笔则依靠气压将墨水压出。在神舟十三号的飞行任务中，翟志刚携带中国传统文房四宝进入空间站，将中华儿女骨子里的剑胆琴心展现得淋漓尽致。

为什么毛笔这种古老文具，能在21世纪的星海探险中发挥作用？

要回答这个问题，我们要首先思考一番，毛笔是怎么书写的。答案看起来很简单：毛笔上面吸收了墨水，在笔尖与纸张接触的时候，墨水就从笔尖转移到纸上。但是，如果深入思考，为什么只有当笔尖接触到纸张时，墨水才发生转移，其他时候呢？

实际上，墨水自动发生转移也是常有的事情。初学者有时候会蘸上太多的墨水，墨水就会从笔尖滴下来。拿毛笔蘸墨时有特殊的技巧：只需把笔尖的一部分浸入墨中，这样可以保证只吸入适量的墨水，墨水就不会从笔尖滴落。所以，一支毛笔能留住的墨水，有一个上限。

透过现象看本质，既然毛笔可以留住墨水，那么一定有一个机制来克服重力，这个机制会是什么呢？我们不妨看一看墨水分子受到哪些力。由于毛笔笔尖是一个开放的区域，各处的大气压是平衡的，于是只需要考虑重力与分子之间的相互作用。这分为两种，一部分是液体分子之间的互相作用，另一部分是液体与容器壁分子之间的相互作用，使液体黏附或者疏离。两种相互作用都有摩擦力，微观上体现为电磁相互作用，如果在宏观上结合起来，就带来一种叫作毛细现象的神奇现象。

劉伯明在空间站里写毛笔字

毛细现象是指，将一根毛细管浸入液体中，相比管外液面，管内液面会自发向上或向下发生移动。毛细现象第一眼看上去违反自然规律。人们常说“水往低处流”，为什么水会自发往高处移动？能量守恒定律告诉我们，能量不会凭空产生或消失，液柱上升的过程伴随重力势能的增大，因此一定能找到另一种能量，在这个过程中是降低的。没错，这种能量来自液体的表面张力。

在液体表面与内部，液体分子之间形成的相互作用很不相同。表面的液体分子互相连接更少，相互作用更弱，于是两侧受力不均。在这种受力不均的情况下，内部受力较大，将自发向外部“突出”，于是在不受重力的情况下，一团液体将呈现球形。在这种情况下，表面张力将使液体分界面变弯，使之达到能量最低的稳定状态。

问题的解答就是这样。毛细现象实际上要求达到一种平衡：液体分子相互作用，和液体与表面相互作用的平衡。在达到这个平衡的过程中，液体表面会发生变形。毛笔的材料，兽毛，也就是蛋白质，可以被水浸润。由于分子间相互作用不受重力影响，毛细现象在空间站自然也可以发生，于是毛笔在失重条件下，也可以一如既往地吸入墨水，并正常书写。

当我们放眼星辰大海时，前人那些充满创意的智慧也凝视着我们。

（大 钧摘自微信公众号“中科院高能所”，本刊节选）