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 神舟十二號太空人劉伯明在[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著器壁自發移動，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）的交介面。 在介面兩側，液體分子的組合形式有很大的差異。

圖 4 液體與介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介面變彎，使之達到能量最低的穩定狀態。

而在液-固交介面，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-鐘斯勢表示：

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後，容器裡的液氦溫度會上升，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 °C（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，表明水銀會自發沿著玻璃壁下降。 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。

圖 8 體溫計液泡與測量段之間的細管，水銀柱在這裡很容易被拉斷

當測量溫度結束后，體溫計被拿到空氣中，液泡溫度迅速下降，導致水銀收縮。 由於毛細現象，彎管處細液柱被折斷，使進入測量管的水銀無法回到液泡，於是體溫計一旦離開人體，示數就不再發生變化了。

對於那些極端憎水的材料，液體與容器壁之間吸引力很小，液滴就可以在表面自由滾動。 荷葉表面充滿納米尺度的凸起，這些凸起導致水無法浸潤荷葉，讓水滴不會停留在這種水生植物的葉子上。

圖 9 疏水的植物葉片

5、 總結

當我們放眼星辰大海時，前人那些充滿創意的智慧也在看著我們。 期待三位宇航員能平安愉快地度過太空中的半年，並創作出與地面上一樣精美的書法作品。

真空中能否存在虹吸現象？

有一根充滿純水的玻璃 n 形管，其中的一端泡在高處的水中，另一端放在低處，那麼水就可以越過不太高的障礙，不斷流向低處，稱為虹吸現象。 我們一般用壓強差來解釋這個現象。

圖 10 虹吸現象與解釋 ，A 為虹吸管正中間的一個薄液片

那麼，在存在重力的真空中，假設翻越的障礙h1不太高，虹吸現象可以繼續發生嗎？ 為什麼？ 歡迎留下你的答案。