一包咖啡難倒超級計算機(jī)

岳明

一包咖啡打開前后

下午茶時間到了，拿來一小包真空包裝的咖啡，打開包裝，倒進(jìn)杯子里，再沖上熱水，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注意，但是美國宇航局的科學(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寐以求的規(guī)律。

咖啡小包在真空時硬邦邦的原因可能誰也想不到。小包內(nèi)為真空時，小包表面每平方厘米就要受到1個大氣壓的壓力，這個壓力是很大的。那么，咖啡顆粒在被緊緊擠壓時，顆粒之間幾乎沒有空隙，某個顆粒想活動活動都無法活動，所有的顆粒都被緊緊地“鎖”在自己的位置上動不了。要想動的話，顆粒與顆粒之間就會相互摩擦和碰撞，直到把它們相互接觸的棱角碰碎了，它們才能轉(zhuǎn)個身。也許兩個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，這個舉動就會影響到里面數(shù)百萬個顆粒。也就是說，只有數(shù)百萬個顆粒同時轉(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抗數(shù)百萬個顆粒的摩擦力，這是有一定難度的。因此，我們就會感覺咖啡小包連彎曲都難以彎曲，摸上去就像是一個硬硬的固體。

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動，摸上去就像液體那么柔和，它們還可以到處流動。

咖啡式顆粒多么普遍

研究咖啡包，美國宇航局并不是對咖啡感興趣，而是對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。可見顆粒物質(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)，無法描述它們運動的規(guī)律。科學(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過程中的規(guī)律，科學(xué)家是多么想給顆粒物質(zhì)一個簡潔的方程，把顆粒物質(zhì)的表現(xiàn)規(guī)律描述清楚啊。

咖啡給計算機(jī)出難題

其實細(xì)說起來，氣體也是顆粒物質(zhì)組成的，那一個個分子或原子都是一個個小顆粒，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候，還可以忽視它們的形狀，但是在很多情況下，每一個顆粒都會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單的組合，那是千千萬萬個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計算機(jī)都不夠用！

看來，要想針對每個顆粒去研究實在太難了，也許這樣的研究是個笨辦法。

先給咖啡歸類最好

為了顆粒物質(zhì)，美國宇航局的科學(xué)家可謂是費盡心思。他們想，如果把顆粒物質(zhì)看作一個集體行為的話，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，通過實驗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，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)，必須先去掉引力對顆粒物質(zhì)的影響，這樣美國宇航局把研究顆粒物質(zhì)的項目搬上了太空。科學(xué)家在國際空間站設(shè)立了一個測試顆粒物質(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，因為這些不是氣體、不是液體，也不能算是固體的顆粒物質(zhì)實在是復(fù)雜得令人頭疼。