我們的研究以顆粒體系

作為理解復(fù)雜系統(tǒng)現(xiàn)象的窗口，

相當(dāng)于由一粒沙來(lái)看世界。

厚美瑛· 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員

格致校園第56期 | 2025年7月11日

大家好，我是厚美瑛，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所。我今天要分享的是，我們?cè)诳臻g站上做的一些實(shí)驗(yàn)。

顆粒物質(zhì)的奇特性質(zhì)

已完成：10%//////////

我的標(biāo)題提到“搖啊搖”，那我們具體搖什么東西呢？

我有一個(gè)罐子，里頭有大小不同的顆粒。如果我搖它，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，搖動(dòng)之后，里面大的綠色顆粒會(huì)跑到上頭來(lái)。

▲左：搖晃前

右：搖晃后

再做一次，還是同樣的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象我們把它叫做巴西果效應(yīng)。

為什么叫巴西果效應(yīng)呢？因?yàn)槲覀冊(cè)绮统缘难帑溒锝?jīng)常會(huì)放一些堅(jiān)果，堅(jiān)果里頭最大的顆粒就是巴西果。當(dāng)我們打開(kāi)袋子的時(shí)候，看到這個(gè)巴西果往往是在上頭，所以我們就把這個(gè)大顆粒在上、小顆粒在下的現(xiàn)象叫做巴西果現(xiàn)象。我們?cè)诳臻g站上做的實(shí)驗(yàn)，跟這個(gè)現(xiàn)象是非常有關(guān)系的。

為什么我們要研究顆粒物質(zhì)呢？顆粒物質(zhì)是我們?cè)谏钪?、在地球表面上所看到的、接觸到的，除了水以外最多的一種物質(zhì)體系。比如說(shuō)沙漠的形成、山體的滑坡、沙塵暴的現(xiàn)象，都是顆粒物質(zhì)的一種行為和表現(xiàn)。

那么在宇宙空間中，顆粒物質(zhì)更是大量存在。比如說(shuō)在火星、月球表面，都有一層厚厚的風(fēng)化層，行星表面的地質(zhì)活動(dòng)是非?；钴S的。

像我們拍攝的左邊這一幅就是火星北極地質(zhì)崩塌現(xiàn)象；右邊這幅就是散布在空間中的大量顆粒狀物質(zhì)，比如聚集在火星跟木星之間的小行星帶、土星上的行星環(huán)。

▲左：火星北極地質(zhì)崩塌

右：密集存在于火星跟木星之間的小行星

除了巴西果效應(yīng)以外，顆粒物質(zhì)還有很多奇特的現(xiàn)象。比如說(shuō)，顆粒物質(zhì)它本身是以固態(tài)的形式存在，可是在外力的作用下，大量顆粒卻會(huì)像流體一樣具有流動(dòng)性。比如干燥的土塊，滑坡時(shí)可以滑出幾公里遠(yuǎn)，就像流體一樣。顆粒流還會(huì)形成密度波這樣的現(xiàn)象，它有很多奇異的現(xiàn)象。

所以，物理學(xué)家認(rèn)為顆粒物質(zhì)是一種新的物態(tài)，是介于固體和流體之間的復(fù)雜體系，具有和經(jīng)典的氣、液、固都不同的一些奇特性質(zhì)。

消除重力的影響

已完成：40%//////////

物理學(xué)家對(duì)于經(jīng)典的氣、液、固都有很好的方程來(lái)描述，那么我們就希望對(duì)顆粒物質(zhì)的統(tǒng)計(jì)行為、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，也能通過(guò)研究去建立一些模型或者方程。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所從2000年開(kāi)始，在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，比如說(shuō)剛才提到的的巴西果現(xiàn)象。我們可以理解為，振動(dòng)的時(shí)候，底下會(huì)有一些空隙，小的顆粒很容易去填充這些空隙。小顆粒一填充以后，大的顆粒就被墊高，每振動(dòng)一次墊高一點(diǎn)，所以最后大顆粒就停留到表面上，下不來(lái)了。

這些現(xiàn)象其實(shí)都和重力非常相關(guān)，重力是影響顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要因素。既然重力是一個(gè)重要因素，是不是要有一個(gè)微重力平臺(tái)去消除重力，這樣我們才能去研究這個(gè)顆粒的本征行為。

有一個(gè)最簡(jiǎn)單的微重力平臺(tái)叫落塔，在北京四環(huán)的對(duì)面就有一個(gè)落塔。

我們把實(shí)驗(yàn)裝置放到塔頂上，就像伽利略做比薩斜塔實(shí)驗(yàn)一樣往下扔，它可以給我們提供3.3秒的微重力時(shí)間。我們的裝置放在落倉(cāng)里頭，然后落下來(lái)，落下來(lái)之后有兩個(gè)網(wǎng)兜，回收我們的裝置。

3.3秒我們覺(jué)得太短了，我們想延長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間。有一種做法來(lái)自德國(guó)不來(lái)梅的落塔是上拋式落塔。

它同樣是一個(gè)落塔，但是落倉(cāng)將實(shí)驗(yàn)裝置放在底部，而不是頂上，然后從底下往上拋。這個(gè)時(shí)候，同樣的100米，這個(gè)裝置可以走兩遍，所以這個(gè)落塔的微重力時(shí)間可以延長(zhǎng)到9.3秒。

還有一種做法是失重飛機(jī)，NASA跟ESA用得比較多。飛機(jī)本來(lái)是平飛的，把機(jī)頭抬起來(lái)到一定高度的時(shí)候，把引擎關(guān)掉，然后讓飛機(jī)自由滑翔。因?yàn)橛兄亓?，所以滑翔是一個(gè)拋物線下來(lái)。到了一定高度，再把引擎打開(kāi)，這個(gè)飛機(jī)又恢復(fù)。這樣的話，每一次飛行會(huì)提供22秒的失重。

下面是歐空局官網(wǎng)上留下來(lái)的視頻，是當(dāng)年我?guī)W(xué)生去做失重飛機(jī)實(shí)驗(yàn)的記錄，當(dāng)時(shí)是第一個(gè)中國(guó)人去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

我們國(guó)家用得比較多的是返回式衛(wèi)星，返回式衛(wèi)星可以給我們提供從幾小時(shí)到最長(zhǎng)兩星期的微重力實(shí)驗(yàn)。我參加了“實(shí)踐八號(hào)”跟“實(shí)踐十號(hào)”的實(shí)驗(yàn)，下面是“實(shí)踐十號(hào)”的發(fā)射和回收的情景。

在這個(gè)房間里有氣體分子，這個(gè)氣體分子看不見(jiàn)摸不著，可是只要知道溫度、壓力跟體積，就可以描述這個(gè)分子。在這個(gè)小劇場(chǎng)里，這個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)、速度分布和密度，都可以得到。那對(duì)于懸浮的顆粒，能不能有一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布的規(guī)律？

我們?cè)谑е仫w機(jī)上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)密度增加時(shí)，懸浮的顆粒會(huì)形成團(tuán)簇，這是一個(gè)很特別的、分子氣體沒(méi)有的一個(gè)現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象表示，我們其實(shí)很難得到一個(gè)普適的結(jié)果。

顆粒團(tuán)簇匯聚的現(xiàn)象其實(shí)是很重要的。因?yàn)樵谛行切纬傻倪^(guò)程中，比如像地球形成的過(guò)程里，第一步就是碰撞，然后匯聚，有這個(gè)匯聚最后才會(huì)形成行星這樣的星球。

▲Wurm and Teiser, Nat. Rev. Phys., 2021

在太空中“搖啊搖”

已完成：70%//////////

前面講的這些微重力平臺(tái)能提供的微重力時(shí)間非常有限。我們?cè)趦赡昵埃?023年）開(kāi)始建設(shè)并完成了中國(guó)空間站（裝置）。中國(guó)空間站是一個(gè)能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定微重力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是我們能利用的最好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

而且中國(guó)空間站里面有變重力艙，變重力艙里有一對(duì)離心機(jī)。當(dāng)裝置在離心機(jī)里頭轉(zhuǎn)，我們可以通過(guò)變換離心機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變重力。我們的樣品感受到的重力加速度可以從0 g、1 g到2 g。

有了中國(guó)空間站，有了變重力柜之后，我們把巴西果效應(yīng)搬到空間站上來(lái)做，研究重力在里頭扮演了一個(gè)什么樣的角色。

要完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，還有幾個(gè)難題要解決。第一個(gè)難題是在顆粒桶里，大的顆粒在小的顆粒里是看不見(jiàn)的，那怎樣才能檢測(cè)這個(gè)“入侵顆?！钡倪\(yùn)動(dòng)軌跡呢？我們希望看它的動(dòng)力學(xué)時(shí)，知道它的運(yùn)動(dòng)軌跡。

后來(lái)，我們提出一個(gè)方法，叫霍爾效應(yīng)。什么叫霍爾效應(yīng)呢？比如說(shuō)這有一個(gè)導(dǎo)體，當(dāng)這個(gè)導(dǎo)體感受到磁場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是霍爾效應(yīng)。我們從測(cè)量到的電壓大小可以知道導(dǎo)體感受到的磁場(chǎng)大小。

如果我在入侵顆粒里安一個(gè)磁鐵、磁芯，那么這個(gè)時(shí)候，這個(gè)入侵顆粒的運(yùn)動(dòng)就會(huì)改變導(dǎo)體所感受到的磁場(chǎng)。所以，由此拿到的這個(gè)電壓可以反過(guò)來(lái)算出顆粒的位置。解決第一個(gè)難題的方法，就是靠霍爾元件陣列磁測(cè)方法來(lái)追蹤磁性顆粒的軌跡。

第二個(gè)問(wèn)題也很大，如何遙控大顆粒在實(shí)驗(yàn)中的初始位置？在實(shí)驗(yàn)室里，要改變振動(dòng)模式，或者是要測(cè)量巴西果效應(yīng)，我需要自己用手去轉(zhuǎn)它，來(lái)改變大顆粒的位置。可是在空間站上，我們沒(méi)有辦法去用手控制它，也不能經(jīng)常讓宇航員來(lái)幫忙做實(shí)驗(yàn)，所以我們必須遙控大顆粒在實(shí)驗(yàn)中的初始位置。

后來(lái)，我們想到一個(gè)方法。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里頭先做了模擬，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變振動(dòng)參數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)顆粒的初始位置。這個(gè)是空間站的顆粒振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。這么大的一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，包括振臺(tái)等東西，要把它濃縮成這么小，是非常困難的。

這個(gè)裝置做了大概兩年，一直做到第二天要上飛機(jī)，要到文昌發(fā)射基地，還在做檢測(cè)，所以是非常緊張的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是2022年底由天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船送到空間站，然后神舟十五號(hào)航天員在軌安裝到問(wèn)天艙的變重力柜里頭。

下面是裝置振動(dòng)的情況，可以看到大顆粒在上頭。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是送上基地之前拍攝的，所以是在有重力的情況下拍的。

這個(gè)裝置用了大概兩年多，在天上取了很多數(shù)據(jù)。2025年4月，我們最后還補(bǔ)了一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，然后在2025年5月，把這個(gè)裝置送上天舟八號(hào)去廢棄掉。昨天（2025年7月10日），我們看到新聞，它已經(jīng)隨著天舟八號(hào)掉在太平洋里了。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)里最重要的是什么？剛才我們看到大球永遠(yuǎn)是浮上來(lái)的，但我們通過(guò)變重力柜改變重力，在低重力環(huán)境下，看到了反巴西果現(xiàn)象——大球會(huì)降到底。

▲首次觀察到低重力環(huán)境下的反巴西果效應(yīng)

把真實(shí)的數(shù)據(jù)可視化之后，我們可以看到顆粒在不同的振動(dòng)模式下是如何運(yùn)動(dòng)的，它的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看得很清楚。我們?cè)瓉?lái)設(shè)計(jì)的靠改變振動(dòng)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)它位置的方案，是可行的。

最后，我們拿到一個(gè)很重要的相圖。從相圖可以看到，縱軸是振動(dòng)強(qiáng)度，在這個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度范圍里，是1倍到5倍的環(huán)境重力。橫軸是真正的環(huán)境重力，是我們?cè)诘椭亓ο伦龅?。最后這個(gè)紅點(diǎn)是月球的重力。我們發(fā)現(xiàn)，在月球的重力下可以看到反巴西果效應(yīng)，可是當(dāng)我們把這個(gè)橫線延伸到一個(gè)g的位置的時(shí)候，反巴西果現(xiàn)象就沒(méi)有了。這就是為什么我們看到的總是巴西果現(xiàn)象。

▲巴西果效應(yīng)-反巴西果效應(yīng)的轉(zhuǎn)變閾值，隨重力的增加而減小

通過(guò)下圖可以看到，霍爾元件陣列的檢測(cè)方法非常精確?？v軸（Z軸）是大顆粒上升下降的的位置坐標(biāo)。左下這個(gè)紅色線條表示，當(dāng)我使用比較強(qiáng)的振動(dòng)時(shí)，大顆粒從左下角的位置，經(jīng)過(guò)了大概10秒，上到頂上去。然后我使用小振動(dòng)的時(shí)候，大顆粒從比較高的位置下到底下。

通過(guò)這個(gè)檢測(cè)方法，不但可以看到顆粒運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，還可以發(fā)現(xiàn)，大顆粒是隨著每一次振動(dòng)走的，已經(jīng)到這種精度。我們可以通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度強(qiáng)的時(shí)候，大顆粒每一次走的時(shí)候會(huì)往上墊高一點(diǎn)。那么往下走的時(shí)候，每一個(gè)周期大顆粒都往下一點(diǎn)。這表示，每一次的運(yùn)動(dòng)有撞擊和慣性，這兩個(gè)機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)。

巴西果現(xiàn)象也有一些用處。舉個(gè)例子，小行星表面非常粗糙，我們國(guó)家現(xiàn)在想要在小行星上做樣品回收。小行星表面之所以比較粗糙，是因?yàn)樾⌒行呛苋菀资艿阶矒簦矒粢院笏旧頃?huì)震動(dòng)，震動(dòng)了就會(huì)產(chǎn)生巴西果現(xiàn)象，粗糙的礫石就會(huì)浮在上頭，所以要在月球、火星等小行星上建造基地，就要考慮重力的影響。

剛才講的研究，都是以顆粒體系作為理解復(fù)雜系統(tǒng)現(xiàn)象的窗口，相當(dāng)于由一粒沙來(lái)看世界。我很喜歡William Blake一首詩(shī)，下面我用這首詩(shī)的前四句，來(lái)結(jié)束我今天的報(bào)告。

一沙一世界，

一花一天國(guó)。

君掌盛無(wú)邊，

剎那含永劫。

我們認(rèn)識(shí)這個(gè)世界時(shí)，真理就在我們身邊。

謝謝大家！

文章和演講僅代表作者觀點(diǎn)，不代表格致論道講壇立場(chǎng)。

版權(quán)說(shuō)明：

未經(jīng)授權(quán)嚴(yán)禁任何形式的媒體轉(zhuǎn)載和摘編，

并且嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載至微信以外的平臺(tái)！

本文轉(zhuǎn)載自《格致論道講壇》微信公眾號(hào)

《物理》50年精選文章