一些事情的发生往往出乎人的意料之外，就拿简单的一杯咖啡来说，其中出现的物理现象，至今科学家们还不十分清楚。也许你对这种说法还有疑问，那么你打开一袋真空包装的块状咖啡吧!看看有什么现象发生。

在这袋块状的咖啡被打开之前，它是十分坚硬的，但是随着咖啡袋被打开，咖啡变得柔软和容易弯曲了，袋里的咖啡也从固体变成了粉末。

为什么会出现这样的现象呢?

用一个放大镜来观看咖啡的颗粒，你会看到它们是一群被切割成不规则形状的颗粒。在一个真空袋内，地面的大气压力从四面八方挤压咖啡颗粒，由于颗粒的特殊形状，使颗粒互相紧扣在一起，固定在适当的位置，块状咖啡作为一个整体将会变得十分坚硬。打开袋子后，袋内外的压力相同，压紧咖啡颗粒的压力不再起作用，坚硬的块状咖啡就变得能够像粉末一样翻滚和流动。

这个道理看似简单，但是至今物理学家还无法从理论上精确预知真空包装咖啡的坚硬度，也无法计算出什么时候咖啡从一种固体形状变成粉末形状。

对于一种咖啡，我们可以轻易地说出它的化学成分、参差不齐的形状、密度、结晶状结构等等特性，甚至对于一个单独咖啡颗粒的物理特性也了解很清楚，但是，当数以百万计的单个咖啡颗粒相互聚合在一起，就很难预测一些现象了。

咖啡就像你脚下的砂砾那样是一种普通的物质，它也是颗粒状材料的一个范例。至今对于颗粒材料还没有完善的物理学理论来描述它们的行为方式。由于以下几种原因，美国宇航局对颗粒状材料发生了兴趣：

在未来的火星和月球探险时，人类要长期地停留在上面，必须ha_T-大量的颗粒状材料，为火星和月球上的人类提供氧气和燃料；

现在观察到在遥远的行星和它们的卫星上存在像沙丘和雪崩沉积而成的地质特征，为了更好地了解那些星球地质特征的形成和周围的环境，必须知道颗粒形成的过程；

行星的光环也是由颗粒组成的，天文学家希望通过对颗粒流动特性的认识更好地了解它们。

颗粒流动在地球上比比皆是，岩石崩塌和颗粒般的雪花就是两个例子。颗粒材料的流动在很多方面起着重要作用，例如一些星球地质特征的形成、药品的制造、铝制品的加工和整形外科产品的生产等。很难想象在一些加工过程中没有采用颗粒流动技术。

不幸的是，颗粒材料的物理学特征不像一些其他的物理现象，可以用简单的方程式来表示。例如，虽然气球内的氦是由几十亿颗粒组成，但可以用一次方程式来表示它的重要的特性：压力、体积和温度。

与颗粒材料不同的是氦原子是分散的和彼此隔离的，而且一个氦的原子与其他原子大体相似，它没有不规则的边缘或复杂的原子一原子的相互作用。它确实是非常简单的。

但是，在一袋咖啡里，咖啡颗粒之间发生撞击、摩擦和施压。每个颗粒是独立的，但与它的邻居紧密地结合在一起。在分析颗粒流动的物理特性时，不能忽视颗粒间的相互作用，应该从颗粒的数量和它们之间相互作用两个方面来考虑。

计算机有强大的计算功能，可以解开很多人难以计算的公式，但是在一袋咖啡内颗粒之间产生的交互作用就是一台超级计算机也计算不出来。

当科学家和工程师像土壤和粉末那样来处理颗粒状材料时，通常采用的方法是确定这些颗粒材料的特性，并对它们的变化做出预测。但是，对于颗粒材料可不那样简单。例如，是什么引发了月球上的雪崩?在月球上有多少土壤可以流成一个斜道?地球上，在一次地震中一个建筑下面的湿沙会出现什么样的变化?为了回答这样的问题，我们需要有关颗粒流动的“PV=nRT”理论，它可以在一个更大范围内的环境下做出预测。

美国宇航局赞助的研究人员正在为此而努力工作，他们将实验和数学结合在一起去改进这个理论。例如杰克斯正在研究描述分子气体的微分方程式。他说这种方程式有可能应用于颗粒的流动。他计划用一种充满水珠的旋转器来验证他的一些想法，这台设备早在2007年发射到国际空间站上了。他解释说：我们在国际空间站上进行这项实验是因为颗粒的流动受到重力和内部碰撞的影响。我们在太空进行这项实验时，可以将这两个因素排除，产生一种更简单、容易分析的系统。

罗拉多大学的工程学教授斯坦．斯顿也在从事同样的研究，他负责航天飞机上进行的被称为“颗粒材料力学”的一系列实验。他的设计思想是反复挤压一个圆柱形的湿沙柱，并反复记录发生的情况。斯顿解释说这次实验的目的是了解在一些地震期间出现的类似液体流动现象的物理特征。这些实验在STS-79和STS-89航天飞机飞行时已经进行了初步实验

地震、雪崩、行星环、煤矿，甚至是一袋咖啡，当我们从它们之间差异找出其中普遍的内在联系，我们将会对它们有进一步的了解。

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