當光電與計算機相遇會發生什麼？

當月球與沙漏相遇又會發生什麼？

看着神舟十二号噴薄升空的你

一定也開始期待嫦娥七号的發射

而這次的嫦娥七号在探月的同時

還帶有另一項“非同尋常”的任務

那就是月球上的科普實驗

在嫦娥七号任務科普試驗載荷創意設計征集方案的初步征集中，來自光電學院和計算機學院的四位浙大學子的方案——月球上的沙漏實驗作為浙江唯一一個案例，成功入圍國家航天局嫦娥七号科普載荷創意設計征集終選階段，說不定，他們“腦洞大開”的創意真的能“上天”。

浙大四位學子

把小小的沙漏“玩出了花樣”

下面就讓我們一起

去看看他們的奇妙世界吧~

這個團隊由三位研究生和一位本科生組成。在采訪的開始，他們便抛出了一個問題：“将一個計時時長為300s的沙漏帶上月球，它的計時周期會怎麼變？”

為什麼會考慮到這個問題呢？

我們都知道月球是地球的衛星，與地球的距離非常近。并且目前探月的嘗試正在一步步深入推進，那麼未來人們很有可能會在月球上建立基地。團隊成員、浙江大學光電科學與工程學院研究生張自然解釋道：“建立基地需要建築材料，而将地球上的建築材料發射到月球上，費時費能，很不方便，因此需要利用月球上的資源，比如月壤、月岩等。”

然而，對于月面材料的加工利用不可避免的會涉及到顆粒流的物理性質，但目前國内外很少有人研究過重力加速度大幅改變對顆粒流性質的影響。因此，在月面低重力環境條件下，研究顆粒流之間的相互作用機制對未來建設月球基地來說是一個很關鍵的問題。

此外，如果要在地球上實現重力加速度的改變，就要在類似于宇航員訓練的模拟艙中進行。“改變加速度需要很大的艙進行旋轉，不斷進行加速來改變，用這種方法是不能很穩定、很大幅度地改變加速度的。”也就是說，在地球上進行改變重力加速度的操作，既不方便，也不穩定。而物理實驗隻有在有很好的穩定性時才更具有準确性，因而隻有在月球上才能真正地、完全穩定地改變重力加速度。

可是，那又怎麼會想到是沙漏呢？

沙漏是一個天然的計時工具，在沙子流動的過程中，時間點滴流逝。那麼，沙漏流速快慢究竟受哪些因素影響？下落速度是否可以改變？能否通過科學公式計算？至今，在學術界，沙漏計時的準确物理模型仍然存在争論。而這個實驗，通過直觀的流動來反映抽象的時間概念，使得實驗更加有可觀賞性。如果能夠實現，這也将成為國際上首次月球沙漏實驗。

同時，沙漏作為一個簡單而且美觀的模型，在生活中随處可見，對于我們而言更親近且更容易被接受。除此之外，沙漏中的“沙粒”也蘊含着豐富的知識。沙漏是國内外許多科學家研究“顆粒流”的重要工具。一顆顆“沙粒”聚合到沙漏内部，會形成似液體般流動的全新群體狀态，在化工上稱為“顆粒流”，而“顆粒流”的力學知識則可應用在建築、滑坡應對等領域。因此，沙漏的直觀性與知識性決定了它可以作為這個實驗一個很好的工具。

“這個問題有三個答案”

那這個問題的答案究竟會是多少呢？

也許有人會脫口而出，由于月球上的重力加速度是地球上的六分之一，所以時間為6倍！然而這第一個答案在現代物理理論上已經被證明是錯誤的了。

在目前的物理理論上，荷蘭物理學家Beverloo曾提出過Beverloo公式，從這個經驗公式中可以得到沙漏在月球上的計時時長大約為地球上的2.45倍。這便是第二個答案。

而第三個答案為，不确定，為什麼呢？

由于月球與地球除了重力加速度之外，還有溫度、濕度、大氣環境等因素均不相同，因而很難直接将這個經驗公式代入并說明其完全正确。因此将沙漏送上月球進行全真實驗顯得十分必要而且更加具有價值。

同時我們需要關注的另一方面是，除了解答問題、得到數據，我們還可以收獲什麼。對于我們而言，更重要的還有就是體驗量綱分析帶來的魅力。“量綱就是‘單位’，通過尋找各個物理量單位之間的關系來‘湊’出公式。”光電科學與工程學院一年級的研究生陳肇傑解釋道。也就是說，我們可以不需要具體數值而是直接看“量”之間的關系，可以通過量的單位來初步判斷量與量之間的方幂關系。

為了更好地去探究答案，提高方案的可行性，他們從三個角度進行深入剖析。首先是可行性的問題，如何把沙漏帶上去，考慮沙漏能否承受火箭加速帶來的加速度以及能否承受在穿越大氣層時的高溫和到達宇宙空間中的低溫這樣的溫差，能否承受一個大氣壓的壓強。接着，在航天的情況下，需要在可行的條件下盡量簡單，能否把試驗箱所需要的體積和功耗降到最小，這樣就不會影響其他探月、航天任務的進行。還有關于數據傳輸，如何将獲得的圖像用怎麼樣的方式比較可靠的傳輸回地面。

在報名之後，他們設計了一個由沙漏裝置、照明模塊、驅動模塊、監視模塊和環形照明模塊組成的月球沙漏實驗箱。與普通沙漏相比，為了上太空，這款沙漏實驗裝置有許多特别之處。比如，為了減少普通沙粒不規則帶來的影響，裝置中的“沙粒”選取了0.24毫米的玻璃珠；由于太空與地球氣壓不同，他們在瓶壁打上了比玻璃珠直徑小的透氣孔，而瓶壁本身也是經過千挑萬選、可以适應太空環境的材料。

如此一個有趣的方案，卻是由這四位看似“毫無關系”的同學合作而成。“我在大一時上過徐之海老師《深空探測》這門課，這個方案最初的來源就是我當時的課程設計。大二時，徐老師突然一個電話打過來，表示這個方案不錯，并讓我與學長們合作，完成方案設計并投稿到創意征集活動。”組中年紀最小的楊子晗如是說道。在徐之海老師的課程上以及在對實驗方案的思考與完善的過程中，他對深空探測有了更深的了解和體悟。

作為徐之海老師的研究生，張自然笑着說道：“當時得到這個消息的時候我正在上徐老師的《現代成像系統》這門課程，這個消息也是徐老師告訴我的。”

他想到，他曾在本科期間參加物理競賽時探究過很多關于沙漏的問題，知道有很多影響它計時的因素，因而他十分願意去進行這個方案的研究。“同時，我目前的研究方向是光學成像工程，而沙漏中沙子漏下過程的呈現需要相機，于是這個實驗方案中會涉及到的成像、照明、數據傳輸方面的知識，與我的研究方向也比較相近。”這兩段經曆，竟都是出人意料地與這個方案相關，因而張自然就參與到了這個項目中。

陳肇傑則說：“我目前的研究方向是圖像處理，簡單來說就是如何把不好的圖像變成好看的圖像，把不準确的圖像變成準确的圖像。”“在這個方案中，對于其中關于圖像傳輸部分就可能需要相關知識，讓視頻變得更小，傳輸得更快，但同時保證視頻的清晰度。”

羅鵬擅長3D建模，方案中精緻的裝置3D示意圖就是出自他手。羅鵬在徐之海老師的實驗室裡做研究，在三維設計、相機的制作方面擁有豐富的經驗。

從左至右分别為張自然、楊子晗、羅鵬、陳肇傑

方案成型離不開指導老師徐之海。作為中國宇航學會空間遙感專業委員會副主任委員，他主持設計并研制的系列星載光學系統曾在嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号中繼星、嫦娥五号試驗星任務中得以應用，參與創造了中國航天史上的多個首次。

在整個過程中，四位成員也提到：“徐之海老師很重視這個方案設計，并且希望可以将它一直做下去。”期間，徐老師提出了很多具有參考價值的意見與建議，為整個設計掌舵。

除了學習，生活之中的他們有着各自的愛好和目标。

陳肇傑和張自然都喜歡運動，陳肇傑更喜歡騎車，打台球、乒乓球，也會去玩桌遊，張自然則更喜歡打籃球。

他們都希望在學好專業知識的同時，做一些自己感興趣的事，為祖國的發展建設貢獻自己的一份微薄力量。

楊子晗直言：“我會自己折騰機器，在計算機上跑（運行）一些自己感興趣的東西。在學好專業知識的基礎上，近期的精力重點投入學習和競賽上，長期的話希望可以推免本校研究生。”作為本科生的他已經開始規劃兩年後的去處，對未來的道路明确而堅定。

“生命就像沙漏一樣，我們沒有一個準确的模型來計算出它的時長，但卻能清晰地感受到它在流淌。點點細沙下落，唯有珍惜和熱愛可以濾掉生命的浮華，将寶貴的知識和思想沉澱下來。”這是四位成員留給學弟、學妹們的一段話。

這場沙漏之旅到這裡就接近尾聲了，而現實中的沙漏之旅仍在繼續……

參考資料：天目新聞

文字記者：浙江大學融媒體中心學生記者團 周龍珠 | 葉靜

圖片來源：由受訪人本人提供

今日編輯：浙江大學融媒體中心學生記者團 葉靜

責任編輯：周亦穎

來源：浙江大學

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!