本站原创一包咖啡打开前后
下午茶时间到了,拿来一小包真装的咖啡,打开包装,倒进杯子里,再冲上热水,一杯浓浓的咖啡就摆在面前了.这是多么常见的生活场景,但是在这过程中,你是否注意过,咖啡在打开包装之前是什么样子的?那咖啡小包邦邦硬,摸上去感觉好像小包里包着的是大块的固体.但奇妙的是,就在撕开包装口之后,随着很小的嘶嘶声,咖啡小包很快就变得异常柔软,不用倒出来,我们就知道里面是细微的粉末.
同样的小包,为什么真空情况下与一般情况下,摸上去的感觉,差别如此之大?这样的现象,我们一般人还真的不会注意,但是美国宇航局的科学家就非常关注：这日常的琐碎小事背后却隐藏着他们梦寐以求的规律.
咖啡小包在真空时硬邦邦的原因可能谁也想不到.小包内为真空时,外界的1个大气压就紧紧地压着小包和小包内的咖啡颗粒.这个压力是很大的,历史上,有人曾用两匹马想拉开两个因真空扣在一起的半球都没有拉开.那么咖啡颗粒在被紧紧挤压时,颗粒之间几乎没有空隙,某个颗粒想活动活动都无法活动,所有的颗粒都被紧紧地“锁”在自己的位置上动不了,要想动的话,颗粒与颗粒之间就会相互摩擦和碰撞,直到把它们相互接触的棱角碰碎了,它们才能转个身.也许两个颗粒之间的摩擦力并不大,但是当人试着弯曲咖啡小包时,这个举动就会影响到里面数百万个颗粒,也就是说,只有数百万个颗粒同时转身的话,才能让咖啡小包弯曲一下.想想用我们的手劲去对抗数百万个颗粒的摩擦力,这是有一定难度的,因此,我们就会感觉咖啡小包连弯曲都难以弯曲,摸上去就像是一个硬硬的固体.
小包内进入空气后的情况就不用细说了,咖啡颗粒之间能够充分地相互分开,颗粒们想怎么活动都行,于是在我们感觉,这包咖啡又恢复到正常的粉末物质的面貌了：颗粒之间可以随意翻滚运动,摸上去就像液体那么柔和,它们还可以到处流动.
咖啡式颗粒多么普遍
研究咖啡包,美国宇航局并不是对咖啡感兴趣,而是对像咖啡这样的颗粒物质感兴趣.这样的颗粒物质在宇宙中可是太丰富了,是不容忽视的一种物质存在形态：地球上的沙丘、土壤和积雪,月球上的土壤尘埃,其他行星上的冰雪颗粒,连行星环都是冰质颗粒组成的.
工业生产中,大部分工厂都要与颗粒物质打交道,例如烧煤的工厂都要与煤粉打交道,制药行业也都会生产药物颗粒,塑胶行业也都先生产出塑胶颗粒,等等.
可见颗粒物质不仅与我们的日常生活息息相关,还在宇宙中充当了不小的角色,颗粒物质的表现和规律影响了人类,也是造成宇宙中很多现象的原因.但是目前,科学家却没有摸透颗粒物质的本质,无法描述它们运动的规律.科学家已经用理想气体方程描述出气体的表现和性质,用伯努利方程描述了液体和气体在流动过程中的规律,科学家是多么想给颗粒物质一个简洁的方程,把颗粒物质的表现规律描述清楚啊.
咖啡给计算机出难题
其实细说起来,气体也是颗粒物质组成的,那一个个分子或原子都是一个个小颗粒,只是组成气体的小颗粒形状都差不多,没有不可预料的棱角,颗粒之间距离也很大,颗粒与颗粒之间的相互作用并不复杂,可以用统一的数学公式描述出来.
但是颗粒物质,例如每个咖啡颗粒都是不规则得无法预料,大小和形状都不一样.颗粒与颗粒之间接触很疏松的时候,还可以忽视它们的形状,但是在很多情况下,每一个颗粒都会与周围相接触的所有颗粒有着复杂的作用：挤压、摩擦和撞击,这种作用不可忽视,又无法预料.这样的颗粒组成的集体就不只是简单的组合,那是千千万万个颗粒加上千千万万种相互作用!这样的系统该有多复杂!如果想用计算机把一小包咖啡颗粒之间的相互作用描述出来,目前世界上最大最快的超级计算机都不够用!
看来,要想针对每个颗粒去研究实在太难了,也许这样的研究是个笨办法.
为火星咖啡做实验很难
于是很多科学家通过实验的方法来测试不同颗粒物质的性能和表现.但即使是同样的分子结成的颗粒物质,如果形状、大小、晶体结构不同,组成颗粒集合,表现出来的行为都大相径庭.例如同样是硅酸盐组成的,土壤和沙子的行为就有很大差别.因此要用实验的方法把不同颗粒物质的行为测试出来,不但很麻烦,而且有很大的局限性,我们总不能给月球土壤或火星土壤做实验吧,地震的时候,我们也无法测试建筑物下面的沙土是如何流动的.
看来,实验的方法也很笨,即使我们在地球上通过实验的方式测出了咖啡的表现,那么咖啡到了月球或火星上,还会是这个表现吗?那里的气压不同,引力也不同.
看来,科学家迫切需要给颗粒物质找出个通用的类似“PV等于nRT”的描述公式.
先给咖啡归类最好
为了颗粒物质,美国宇航局的科学家可谓是费尽心思,他们想,如果把颗粒物质看作一个集体行为的话,它也有压力、流速等性质,按照这些性质可以给颗粒物质归归类,例如高压下的相互摩擦大的咖啡颗粒是一类,而正常情况下的咖啡又是一类.有的颗粒物质的表现与某种液体或气体的表现类似,也可以把它们归于那种液体或气体一类.
这样,通过实验的方法给每一类的颗粒物质总结出适合的公式.以后再遇到颗粒物质时,先给它相面,看看它属于颗粒物质中的哪一类,就可以用那一类的公式来描述它了.
由于不同的星球引力都不一样,为了研究不同星球上的颗粒物质,必须先去掉引力对颗粒物质的影响,这样,美国宇航局把研究颗粒物质的项目搬上了太空.科学家在国际空间站设立了一个测试颗粒物质的转筒,通过旋转离心力的方式可以模仿不同引力下,颗粒物质的表现.他们正在研究最简单的圆球颗粒物质的表现,找出突破口后,再继续攻击其他颗粒物质.
也许这样的研究还是很麻烦,但这已经是科学家能想出的最便捷的研究方法了,因为这些不是气体、不是液体,也不能算是固体的颗粒物质实在是复杂得令人头疼.