一包咖啡难倒超级计算机

岳明

一包咖啡打开前后

下午茶时间到了，拿来一小包真空包装的咖啡，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，就在撕开包装口瞬间，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，小包表面每平方厘米就要受到1个大气压的压力，这个压力是很大的。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，它们的表现和规律不仅影响了人类，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。

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，再继续攻克其他颗粒物质。

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。