互动科普

空气在我们的周围无孔不入，每当我们吸气时，空气便灌满灵我们的肺，而它的性质是由一种详尽的微观理论(气体运动理论)来精确描述的：该理论的起源可追潮到十九世纪后期，它根据理想气体的所有原子或分子的运动，正确地预测了理想气体的宏观特性，如温度和压力等。但是，对于颗粒气体(即空间尘埃之类较大粒子的集合)不存在这样一种全面的理论。最近马萨诸塞大学的实验物理学家Flotrence Rouyer和Narayanan Menon在通往建立这样一种理论的道路上又迈出了尝试性的一小步。他们研究了滚珠轴承钢珠“气体”的运动并发现钢珠速度的分布在各种条件下保持着一个统一的模式。

 在过去20年里，对粒状物质的研究蓬勃发展起来。土壤在地震或雪崩中的运动是粒状运动，工业上食品，药物和其它多种化工产品的加工过程也涉及粒状运动。土星的环及形成行星的星际尘埃和微粒是颗粒气体。产值选数十数百亿美元的石油化[行业使用的粉末状催化剂颗粒虽然是在气体和液体的混台物中运动，但它们在某些方面的性质也类似于颗粒气体过，与传统的液体、气体和固体相比，人们对颗粒物质的认识仍然相当贫乏。

 Rouver和Menon研究的气体由数百颗钢珠构成，每颗钢珠的直径为l.6毫米。这些钢珠被封闭在一个十分透明的塑料箱中。塑料箱被连续不停地上下摇动，摇动的幅度为几毫米， 其加速度最大可选60g。

 颗粒气体需要摇动揭示了它与理想气体的基本差异。室温下气体的热运动相当强摇动烈，足以使它轻易地克服重力而充满容器的空间。但是钢珠或尘粒的热运动则是微不足道的，其平衡态亦是钢珠或尘粒堆积在容器的底板上。如果停止摇动，钢珠便会在不到一秒的时间里落下来成为一堆，因为每次碰撞都会使钢珠的部分动能转化为热，因而削弱了其运动。这一能量丧失意味着颗粒气体处于不平衡态中。分析这种不平衡态要比分析平衡态困难得多。l859年，詹姆士·克拉克·麦克斯韦从理论上推导出了理想气体中分子运动速度的分布，他并不需要测量单个分子的运动。但是，对于颗粒气体,这样的实验是必需的。

  Rouyer和Menon使用一有每秒可拍摄2千幅画而的摄像机，获得了钢珠的速度分布情况。计算机软件跟踪钢珠在一个远离容器壁的区域内的运动，为了避免钢珠在沿着摄像机视线的方向上互相重迭的问题，Rouyer和Menon不得不研究颗粒气体在二维容器内的运动。这个容器类似于由两片透明的垂直塑料板构成的双层玻璃窗。料板之间的距离略大于钢珠的直径。

 理想气体中分运动速度的分子是人们熟悉的钟形统计曲线，其中最接近于平均值的数值出现的机会最多。用业术语来说 这条曲线是高斯曲线，其方程的指数为2。Rouyer和Menon的颗粒气体，其分布曲线方程的指数始终为1.5。选样的分市曲线是一条变形的钟形曲线，它的尾部较大，也就是说，位于速度分布两端的分子较多。哈佛福德学院的Jerry P Gollub及其合作者在先前进行的把容器水平放置的实验中也获得指数为1.5的分布曲线方程。Menon认为，鉴于两个实验的几何分布差异极大。因此，它们获得类似的结果既出人意料，又令人鼓舞”。1.5的指数值也与乌特勒点大学的Twanvan Noije和Mattieu H Ernst在1998年所做的理论计算部分吻合。

 但并不是一切问题都澄清先前乔治敦大学的物理学家Jeffrey S．Urbach和JefF. Rey S．0lafsen(H前在堪萨斯大学)进行过一项Gollub的实验类似的实验．但得到的结果有些不同。在某些条件下．他们也观察到指数为l.5的分布。但是当摇动的程度较弱时，指数值便下降到1，这样就得到指数分布。而当其摇动相当强烈时，指数值上升为2，从而得到人们熟悉的高斯分布，即理想气体的分于运动速度分布。(摇动非常微弱时，Gollub实验中的指数值出下降到l。)在乔治敦大学的实验中，当钢珠开始穿越整个三维空间弹跳而是仍然被限制在实验中振动的水平的料板附近运动时，高斯分布便出现了。

 洛斯拉莫斯陶家实验室的Eli Ben—Naim对乔冶敦大学的实验进行伦计算机模拟，以相当高的精度复现出该实验得出的一系列钢球行为。Olafsen指出，阿默斯特大学的实验中所使用的摇振机对钢球的振动要比另外两个实验强烈得多。因此．这个实验的参数空间区域与另外两个实验不同。他认为，现在需要进行一些能把不同的参数空间区域联系起来的实验和相应的模拟。

 Ben—Naim说．人多数理论家认为，尘粒聚集成团和激波之类的效应在某些情况下起着重要的作用。他预言，不可能得到一条适用于各种条件的定律。