一些事情的發(fā)生往往出乎人的意料之外，就拿簡(jiǎn)單的一杯咖啡來(lái)說(shuō)，其中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，至今科學(xué)家們還不十分清楚。也許你對(duì)這種說(shuō)法還有疑問(wèn)，那么你打開(kāi)一袋真空包裝的塊狀咖啡吧!看看有什么現(xiàn)象發(fā)生。

在這袋塊狀的咖啡被打開(kāi)之前，它是十分堅(jiān)硬的，但是隨著咖啡袋被打開(kāi)，咖啡變得柔軟和容易彎曲了，袋里的咖啡也從固體變成了粉末。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢?

用一個(gè)放大鏡來(lái)觀看咖啡的顆粒，你會(huì)看到它們是一群被切割成不規(guī)則形狀的顆粒。在一個(gè)真空袋內(nèi)，地面的大氣壓力從四面八方擠壓咖啡顆粒，由于顆粒的特殊形狀，使顆?；ハ嗑o扣在一起，固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑝K狀咖啡作為一個(gè)整體將會(huì)變得十分堅(jiān)硬。打開(kāi)袋子后，袋內(nèi)外的壓力相同，壓緊咖啡顆粒的壓力不再起作用，堅(jiān)硬的塊狀咖啡就變得能夠像粉末一樣翻滾和流動(dòng)。

這個(gè)道理看似簡(jiǎn)單，但是至今物理學(xué)家還無(wú)法從理論上精確預(yù)知真空包裝咖啡的堅(jiān)硬度，也無(wú)法計(jì)算出什么時(shí)候咖啡從一種固體形狀變成粉末形狀。

對(duì)于一種咖啡，我們可以輕易地說(shuō)出它的化學(xué)成分、參差不齊的形狀、密度、結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)等等特性，甚至對(duì)于一個(gè)單獨(dú)咖啡顆粒的物理特性也了解很清楚，但是，當(dāng)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的單個(gè)咖啡顆粒相互聚合在一起，就很難預(yù)測(cè)一些現(xiàn)象了。

咖啡就像你腳下的砂礫那樣是一種普通的物質(zhì)，它也是顆粒狀材料的一個(gè)范例。至今對(duì)于顆粒材料還沒(méi)有完善的物理學(xué)理論來(lái)描述它們的行為方式。由于以下幾種原因，美國(guó)宇航局對(duì)顆粒狀材料發(fā)生了興趣：

●在未來(lái)的火星和月球探險(xiǎn)時(shí)，人類(lèi)要長(zhǎng)期地停留在上面，必須ha_T-大量的顆粒狀材料，為火星和月球上的人類(lèi)提供氧氣和燃料；

●現(xiàn)在觀察到在遙遠(yuǎn)的行星和它們的衛(wèi)星上存在像沙丘和雪崩沉積而成的地質(zhì)特征，為了更好地了解那些星球地質(zhì)特征的形成和周?chē)沫h(huán)境，必須知道顆粒形成的過(guò)程；

●行星的光環(huán)也是由顆粒組成的，天文學(xué)家希望通過(guò)對(duì)顆粒流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)更好地了解它們。

顆粒流動(dòng)在地球上比比皆是，巖石崩塌和顆粒般的雪花就是兩個(gè)例子。顆粒材料的流動(dòng)在很多方面起著重要作用，例如一些星球地質(zhì)特征的形成、藥品的制造、鋁制品的加工和整形外科產(chǎn)品的生產(chǎn)等。很難想象在一些加工過(guò)程中沒(méi)有采用顆粒流動(dòng)技術(shù)。

不幸的是，顆粒材料的物理學(xué)特征不像一些其他的物理現(xiàn)象，可以用簡(jiǎn)單的方程式來(lái)表示。例如，雖然氣球內(nèi)的氦是由幾十億顆粒組成，但可以用一次方程式來(lái)表示它的重要的特性：壓力、體積和溫度。

與顆粒材料不同的是氦原子是分散的和彼此隔離的，而且一個(gè)氦的原子與其他原子大體相似，它沒(méi)有不規(guī)則的邊緣或復(fù)雜的原子一原子的相互作用。它確實(shí)是非常簡(jiǎn)單的。

但是，在一袋咖啡里，咖啡顆粒之間發(fā)生撞擊、摩擦和施壓。每個(gè)顆粒是獨(dú)立的，但與它的鄰居緊密地結(jié)合在一起。在分析顆粒流動(dòng)的物理特性時(shí)，不能忽視顆粒間的相互作用，應(yīng)該從顆粒的數(shù)量和它們之間相互作用兩個(gè)方面來(lái)考慮。

計(jì)算機(jī)有強(qiáng)大的計(jì)算功能，可以解開(kāi)很多人難以計(jì)算的公式，但是在一袋咖啡內(nèi)顆粒之間產(chǎn)生的交互作用就是一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)也計(jì)算不出來(lái)。

當(dāng)科學(xué)家和工程師像土壤和粉末那樣來(lái)處理顆粒狀材料時(shí)，通常采用的方法是確定這些顆粒材料的特性，并對(duì)它們的變化做出預(yù)測(cè)。但是，對(duì)于顆粒材料可不那樣簡(jiǎn)單。例如，是什么引發(fā)了月球上的雪崩?在月球上有多少土壤可以流成一個(gè)斜道?地球上，在一次地震中一個(gè)建筑下面的濕沙會(huì)出現(xiàn)什么樣的變化?為了回答這樣的問(wèn)題，我們需要有關(guān)顆粒流動(dòng)的“PV=nRT”理論，它可以在一個(gè)更大范圍內(nèi)的環(huán)境下做出預(yù)測(cè)。

美國(guó)宇航局贊助的研究人員正在為此而努力工作，他們將實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起去改進(jìn)這個(gè)理論。例如杰克斯正在研究描述分子氣體的微分方程式。他說(shuō)這種方程式有可能應(yīng)用于顆粒的流動(dòng)。他計(jì)劃用一種充滿水珠的旋轉(zhuǎn)器來(lái)驗(yàn)證他的一些想法，這臺(tái)設(shè)備確定在2007年發(fā)射到國(guó)際空間站上。他解釋說(shuō)：我們?cè)趪?guó)際空間站上進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是因?yàn)轭w粒的流動(dòng)受到重力和內(nèi)部碰撞的影響。我們?cè)谔者M(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將這兩個(gè)因素排除，產(chǎn)生一種更簡(jiǎn)單、容易分析的系統(tǒng)。

羅拉多大學(xué)的工程學(xué)教授斯坦．斯頓也在從事同樣的研究，他負(fù)責(zé)航天飛機(jī)上進(jìn)行的被稱(chēng)為“顆粒材料力學(xué)”的一系列實(shí)驗(yàn)。他的設(shè)計(jì)思想是反復(fù)擠壓一個(gè)圓柱形的濕沙柱，并反復(fù)記錄發(fā)生的情況。斯頓解釋說(shuō)這次實(shí)驗(yàn)的目的是了解在一些地震期間出現(xiàn)的類(lèi)似液體流動(dòng)現(xiàn)象的物理特征。這些實(shí)驗(yàn)在STS-79和STS-89航天飛機(jī)飛行時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，在以后航天飛機(jī)的飛行中還要進(jìn)行。

地震、雪崩、行星環(huán)、煤礦，甚至是一袋咖啡，當(dāng)我們從它們之間差異找出其中普遍的內(nèi)在聯(lián)系，我們將會(huì)對(duì)它們有進(jìn)一步的了解。

[責(zé)任編輯] 蒲暉