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)于由一粒沙來看世界。

厚美瑛· 中國科學(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，來自中國科學(xué)院物理研究所。我今天要分享的是，我們在空間站上做的一些實驗。

顆粒物質(zhì)的奇特性質(zhì)

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我的標(biāo)題提到“搖啊搖”，那我們具體搖什么東西呢？

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

我們會發(fā)現(xiàn)，搖動之后，里面大的綠色顆粒會跑到上頭來。

▲左：搖晃前

右：搖晃后

再做一次，還是同樣的現(xiàn)象。這個現(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？因為我們早餐吃的燕麥片里經(jīng)常會放一些堅果，堅果里頭最大的顆粒就是巴西果。當(dāng)我們打開袋子的時候，看到這個巴西果往往是在上頭，所以我們就把這個大顆粒在上、小顆粒在下的現(xiàn)象叫做巴西果現(xiàn)象。我們在空間站上做的實驗，跟這個現(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)是我們在生活中、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，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，大量顆粒卻會像流體一樣具有流動性。比如干燥的土塊，滑坡時可以滑出幾公里遠(yuǎn)，就像流體一樣。顆粒流還會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

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物理學(xué)家對于經(jīng)典的氣、液、固都有很好的方程來描述，那么我們就希望對顆粒物質(zhì)的統(tǒng)計行為、動力學(xué)問題，也能通過研究去建立一些模型或者方程。

中國科學(xué)院物理研究所從2000年開始，在實驗室里對顆粒物質(zhì)進(jìn)行了大量實驗研究，比如說剛才提到的的巴西果現(xiàn)象。我們可以理解為，振動的時候，底下會有一些空隙，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，每振動一次墊高一點，所以最后大顆粒就停留到表面上，下不來了。

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

有一個最簡單的微重力平臺叫落塔，在北京四環(huán)的對面就有一個落塔。

我們把實驗裝置放到塔頂上，就像伽利略做比薩斜塔實驗一樣往下扔，它可以給我們提供3.3秒的微重力時間。我們的裝置放在落倉里頭，然后落下來，落下來之后有兩個網(wǎng)兜，回收我們的裝置。

3.3秒我們覺得太短了，我們想延長這個時間。有一種做法來自德國不來梅的落塔是上拋式落塔。

它同樣是一個落塔，但是落倉將實驗裝置放在底部，而不是頂上，然后從底下往上拋。這個時候，同樣的100米，這個裝置可以走兩遍，所以這個落塔的微重力時間可以延長到9.3秒。

還有一種做法是失重飛機，NASA跟ESA用得比較多。飛機本來是平飛的，把機頭抬起來到一定高度的時候，把引擎關(guān)掉，然后讓飛機自由滑翔。因為有重力，所以滑翔是一個拋物線下來。到了一定高度，再把引擎打開，這個飛機又恢復(fù)。這樣的話，每一次飛行會提供22秒的失重。

下面是歐空局官網(wǎng)上留下來的視頻，是當(dāng)年我?guī)W(xué)生去做失重飛機實驗的記錄，當(dāng)時是第一個中國人去做這個實驗。

我們國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到最長兩星期的微重力實驗。我參加了“實踐八號”跟“實踐十號”的實驗，下面是“實踐十號”的發(fā)射和回收的情景。

在這個房間里有氣體分子，這個氣體分子看不見摸不著，可是只要知道溫度、壓力跟體積，就可以描述這個分子。在這個小劇場里，這個分子的運動、速度分布和密度，都可以得到。那對于懸浮的顆粒，能不能有一個統(tǒng)計分布的規(guī)律？

我們在失重飛機上做了一個實驗。當(dāng)密度增加時，懸浮的顆粒會形成團(tuán)簇，這是一個很特別的、分子氣體沒有的一個現(xiàn)象。這個現(xiàn)象表示，我們其實很難得到一個普適的結(jié)果。

顆粒團(tuán)簇匯聚的現(xiàn)象其實是很重要的。因為在行星形成的過程中，比如像地球形成的過程里，第一步就是碰撞，然后匯聚，有這個匯聚最后才會形成行星這樣的星球。

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

在太空中“搖啊搖”

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前面講的這些微重力平臺能提供的微重力時間非常有限。我們在兩年前（2023年）開始建設(shè)并完成了中國空間站（裝置）。中國空間站是一個能夠長時間提供穩(wěn)定微重力的實驗平臺，是我們能利用的最好的實驗平臺。

而且中國空間站里面有變重力艙，變重力艙里有一對離心機。當(dāng)裝置在離心機里頭轉(zhuǎn)，我們可以通過變換離心機的轉(zhuǎn)速來改變重力。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)搬到空間站上來做，研究重力在里頭扮演了一個什么樣的角色。

要完成這個實驗，還有幾個難題要解決。第一個難題是在顆粒桶里，大的顆粒在小的顆粒里是看不見的，那怎樣才能檢測這個“入侵顆粒”的運動軌跡呢？我們希望看它的動力學(xué)時，知道它的運動軌跡。

后來，我們提出一個方法，叫霍爾效應(yīng)。什么叫霍爾效應(yīng)呢？比如說這有一個導(dǎo)體，當(dāng)這個導(dǎo)體感受到磁場的時候，會在垂直方向產(chǎn)生一個電壓，這就是霍爾效應(yīng)。我們從測量到的電壓大小可以知道導(dǎo)體感受到的磁場大小。

如果我在入侵顆粒里安一個磁鐵、磁芯，那么這個時候，這個入侵顆粒的運動就會改變導(dǎo)體所感受到的磁場。所以，由此拿到的這個電壓可以反過來算出顆粒的位置。解決第一個難題的方法，就是靠霍爾元件陣列磁測方法來追蹤磁性顆粒的軌跡。

第二個問題也很大，如何遙控大顆粒在實驗中的初始位置？在實驗室里，要改變振動模式，或者是要測量巴西果效應(yīng)，我需要自己用手去轉(zhuǎn)它，來改變大顆粒的位置?？墒窃诳臻g站上，我們沒有辦法去用手控制它，也不能經(jīng)常讓宇航員來幫忙做實驗，所以我們必須遙控大顆粒在實驗中的初始位置。

后來，我們想到一個方法。我們在實驗室里頭先做了模擬，發(fā)現(xiàn)可以通過改變振動參數(shù)，來調(diào)節(jié)顆粒的初始位置。這個是空間站的顆粒振動實驗裝置。這么大的一個實驗裝置，包括振臺等東西，要把它濃縮成這么小，是非常困難的。

這個裝置做了大概兩年，一直做到第二天要上飛機，要到文昌發(fā)射基地，還在做檢測，所以是非常緊張的。這個實驗是2022年底由天舟五號貨運飛船送到空間站，然后神舟十五號航天員在軌安裝到問天艙的變重力柜里頭。

下面是裝置振動的情況，可以看到大顆粒在上頭。這個實驗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，我們最后還補了一個月的實驗，然后在2025年5月，把這個裝置送上天舟八號去廢棄掉。昨天（2025年7月10日），我們看到新聞，它已經(jīng)隨著天舟八號掉在太平洋里了。

這個實驗里最重要的是什么？剛才我們看到大球永遠(yuǎn)是浮上來的，但我們通過變重力柜改變重力，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)

把真實的數(shù)據(jù)可視化之后，我們可以看到顆粒在不同的振動模式下是如何運動的，它的運動軌跡可以看得很清楚。我們原來設(shè)計的靠改變振動參數(shù)來調(diào)節(jié)它位置的方案，是可行的。

最后，我們拿到一個很重要的相圖。從相圖可以看到，縱軸是振動強度，在這個振動強度范圍里，是1倍到5倍的環(huán)境重力。橫軸是真正的環(huán)境重力，是我們在低重力下做的。最后這個紅點是月球的重力。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)我們把這個橫線延伸到一個g的位置的時候，反巴西果現(xiàn)象就沒有了。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

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

通過這個檢測方法，不但可以看到顆粒運動的整個過程，還可以發(fā)現(xiàn)，大顆粒是隨著每一次振動走的，已經(jīng)到這種精度。我們可以通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振動強度強的時候，大顆粒每一次走的時候會往上墊高一點。那么往下走的時候，每一個周期大顆粒都往下一點。這表示，每一次的運動有撞擊和慣性，這兩個機制相互競爭。

巴西果現(xiàn)象也有一些用處。舉個例子，小行星表面非常粗糙，我們國家現(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，是因為小行星很容易受到撞擊，撞擊以后它本身會震動，震動了就會產(chǎn)生巴西果現(xiàn)象，粗糙的礫石就會浮在上頭，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)于由一粒沙來看世界。我很喜歡William Blake一首詩，下面我用這首詩的前四句，來結(jié)束我今天的報告。

一沙一世界，

一花一天國。

君掌盛無邊，

剎那含永劫。

我們認(rèn)識這個世界時，真理就在我們身邊。

謝謝大家！

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