一包咖啡難倒超級(jí)計(jì)算機(jī)

岳明

一包咖啡打開前后

下午茶時(shí)間到了，拿來一小包真空包裝的咖啡，打開包裝，倒進(jìn)杯子里，再?zèng)_上熱水，一杯濃濃的咖啡就擺在面前了。這是多么常見的生活場(chǎng)景，但是在這過程中，你是否注意過咖啡在打開包裝之前是什么樣子的？那咖啡小包邦邦硬，摸上去感覺好像小包里包著的是大塊的固體。但奇妙的是，就在撕開包裝口瞬間，隨著很小的嘶嘶聲，咖啡小包很快就變得異常柔軟，不用倒出來，我們就知道里面是細(xì)微的粉末。

同樣的小包，為什么真空情況下與一般情況下，摸上去的感覺差別如此之大？這樣的現(xiàn)象，我們一般人還真的不會(huì)注意，但是美國(guó)宇航局的科學(xué)家就非常關(guān)注：這日常的瑣碎小事背后卻隱藏著他們夢(mèng)寐以求的規(guī)律。

咖啡小包在真空時(shí)硬邦邦的原因可能誰也想不到。小包內(nèi)為真空時(shí)，小包表面每平方厘米就要受到1個(gè)大氣壓的壓力，這個(gè)壓力是很大的。那么，咖啡顆粒在被緊緊擠壓時(shí)，顆粒之間幾乎沒有空隙，某個(gè)顆粒想活動(dòng)活動(dòng)都無法活動(dòng)，所有的顆粒都被緊緊地“鎖”在自己的位置上動(dòng)不了。要想動(dòng)的話，顆粒與顆粒之間就會(huì)相互摩擦和碰撞，直到把它們相互接觸的棱角碰碎了，它們才能轉(zhuǎn)個(gè)身。也許兩個(gè)顆粒之間的摩擦力并不大，但是當(dāng)人試著彎曲咖啡小包時(shí)，這個(gè)舉動(dòng)就會(huì)影響到里面數(shù)百萬個(gè)顆粒。也就是說，只有數(shù)百萬個(gè)顆粒同時(shí)轉(zhuǎn)身的話，才能讓咖啡小包彎曲一下。想想用我們的手勁去對(duì)抗數(shù)百萬個(gè)顆粒的摩擦力，這是有一定難度的。因此，我們就會(huì)感覺咖啡小包連彎曲都難以彎曲，摸上去就像是一個(gè)硬硬的固體。

小包內(nèi)進(jìn)入空氣后的情況就不用細(xì)說了，咖啡顆粒之間能夠充分地相互分開，顆粒們想怎么活動(dòng)都行，于是在我們感覺這包咖啡又恢復(fù)到正常的粉末物質(zhì)的面貌了：顆粒之間可以隨意翻滾運(yùn)動(dòng)，摸上去就像液體那么柔和，它們還可以到處流動(dòng)。

咖啡式顆粒多么普遍

研究咖啡包，美國(guó)宇航局并不是對(duì)咖啡感興趣，而是對(duì)像咖啡這樣的顆粒物質(zhì)感興趣。這樣的顆粒物質(zhì)在宇宙中可是太豐富了，是不容忽視的一種物質(zhì)存在形態(tài)：地球上的沙丘、土壤和積雪，月球上的土壤塵埃，其他行星上的冰雪顆粒，連行星環(huán)都是冰質(zhì)顆粒組成的。

工業(yè)生產(chǎn)中，大部分工廠都要與顆粒物質(zhì)打交道，例如燒煤的工廠都要與煤粉打交道，制藥行業(yè)也都會(huì)生產(chǎn)藥物顆粒，塑膠行業(yè)也都先生產(chǎn)出塑膠顆粒，等等?？梢婎w粒物質(zhì)不僅與我們的日常生活息息相關(guān)，還在宇宙中充當(dāng)了不小的角色，它們的表現(xiàn)和規(guī)律不僅影響了人類，也是造成宇宙中很多現(xiàn)象的原因。但是目前，科學(xué)家卻沒有摸透顆粒物質(zhì)的本質(zhì)，無法描述它們運(yùn)動(dòng)的規(guī)律?？茖W(xué)家已經(jīng)用理想氣體方程描述出氣體的表現(xiàn)和性質(zhì)，用伯努利方程描述了液體和氣體在流動(dòng)過程中的規(guī)律，科學(xué)家是多么想給顆粒物質(zhì)一個(gè)簡(jiǎn)潔的方程，把顆粒物質(zhì)的表現(xiàn)規(guī)律描述清楚啊。

咖啡給計(jì)算機(jī)出難題

其實(shí)細(xì)說起來，氣體也是顆粒物質(zhì)組成的，那一個(gè)個(gè)分子或原子都是一個(gè)個(gè)小顆粒，只是組成氣體的小顆粒形狀都差不多，沒有不可預(yù)料的棱角，顆粒之間距離也很大，顆粒與顆粒之間的相互作用并不復(fù)雜，可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)公式描述出來。

但是顆粒物質(zhì)，例如每個(gè)咖啡顆粒都是不規(guī)則得無法預(yù)料，大小和形狀都不一樣。顆粒與顆粒之間接觸很疏松的時(shí)候，還可以忽視它們的形狀，但是在很多情況下，每一個(gè)顆粒都會(huì)與周圍相接觸的所有顆粒有著復(fù)雜的作用：擠壓、摩擦和撞擊，這種作用不可忽視，又無法預(yù)料。這樣的顆粒組成的集體就不只是簡(jiǎn)單的組合，那是千千萬萬個(gè)顆粒加上千千萬萬種相互作用，這樣的系統(tǒng)該有多復(fù)雜！如果想用計(jì)算機(jī)把一小包咖啡顆粒之間的相互作用描述出來，目前世界上最大最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)都不夠用！

看來，要想針對(duì)每個(gè)顆粒去研究實(shí)在太難了，也許這樣的研究是個(gè)笨辦法。

先給咖啡歸類最好

為了顆粒物質(zhì)，美國(guó)宇航局的科學(xué)家可謂是費(fèi)盡心思。他們想，如果把顆粒物質(zhì)看作一個(gè)集體行為的話，它也有壓力、流速等性質(zhì)，按照這些性質(zhì)可以給顆粒物質(zhì)歸歸類。例如高壓下的相互摩擦大的咖啡顆粒是一類，而正常情況下的咖啡又是一類。有的顆粒物質(zhì)的表現(xiàn)與某種液體或氣體的表現(xiàn)類似，也可以把它們歸于那種液體或氣體一類。

這樣，通過實(shí)驗(yàn)的方法給每一類的顆粒物質(zhì)總結(jié)出適合的公式。以后再遇到顆粒物質(zhì)時(shí)，先給它相面，看看它屬于顆粒物質(zhì)中的哪一類，就可以用那一類的公式來描述它了。

由于不同的星球引力都不一樣，為了研究不同星球上的顆粒物質(zhì)，必須先去掉引力對(duì)顆粒物質(zhì)的影響，這樣美國(guó)宇航局把研究顆粒物質(zhì)的項(xiàng)目搬上了太空?？茖W(xué)家在國(guó)際空間站設(shè)立了一個(gè)測(cè)試顆粒物質(zhì)的轉(zhuǎn)筒，通過旋轉(zhuǎn)離心力的方式可以模仿不同引力下顆粒物質(zhì)的表現(xiàn)。他們正在研究最簡(jiǎn)單的圓球顆粒物質(zhì)的表現(xiàn)，找出突破口后，再繼續(xù)攻克其他顆粒物質(zhì)。

也許這樣的研究還是很麻煩，但這已經(jīng)是科學(xué)家能想出的最便捷的研究方法了，因?yàn)檫@些不是氣體、不是液體，也不能算是固體的顆粒物質(zhì)實(shí)在是復(fù)雜得令人頭疼。