我们的研究以颗粒体系
作为理解复杂系统现象的窗口，
相当于由一粒沙来看世界。
厚美瑛 · 中国科学院物理研究所研究员
格致校园第56期 | 2025年7月11日
大家好，我是厚美瑛，来自中国科学院物理研究所。我今天要分享的是，我们在空间站上做的一些实验。
颗粒物质的奇特性质
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我的标题提到“摇啊摇”，那我们具体摇什么东西呢？
我有一个罐子，里头有大小不同的颗粒。如果我摇它，会发生什么现象呢？
我们会发现，摇动之后，里面大的绿色颗粒会跑到上头来。
左：摇晃前
右：摇晃后
再做一次，还是同样的现象。这个现象我们把它叫做巴西果效应。
为什么叫巴西果效应呢？因为我们早餐吃的燕麦片里经常会放一些坚果，坚果里头最大的颗粒就是巴西果。当我们打开袋子的时候，看到这个巴西果往往是在上头，所以我们就把这个大颗粒在上、小颗粒在下的现象叫做巴西果现象。我们在空间站上做的实验，跟这个现象是非常有关系的。
为什么我们要研究颗粒物质呢？颗粒物质是我们在生活中、在地球表面上所看到的、接触到的，除了水以外最多的一种物质体系。比如说沙漠的形成、山体的滑坡、沙尘暴的现象，都是颗粒物质的一种行为和表现。
那么在宇宙空间中，颗粒物质更是大量存在。比如说在火星、月球表面，都有一层厚厚的风化层，行星表面的地质活动是非常活跃的。
像我们拍摄的左边这一幅就是火星北极地质崩塌现象；右边这幅就是散布在空间中的大量颗粒状物质，比如聚集在火星跟木星之间的小行星带、土星上的行星环。
左：火星北极地质崩塌
右：密集存在于火星跟木星之间的小行星
除了巴西果效应以外，颗粒物质还有很多奇特的现象。比如说，颗粒物质它本身是以固态的形式存在，可是在外力的作用下，大量颗粒却会像流体一样具有流动性。比如干燥的土块，滑坡时可以滑出几公里远，就像流体一样。颗粒流还会形成密度波这样的现象，它有很多奇异的现象。
所以，物理学家认为颗粒物质是一种新的物态，是介于固体和流体之间的复杂体系，具有和经典的气、液、固都不同的一些奇特性质。
消除重力的影响
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物理学家对于经典的气、液、固都有很好的方程来描述，那么我们就希望对颗粒物质的统计行为、动力学问题，也能通过研究去建立一些模型或者方程。
中国科学院物理研究所从2000年开始，在实验室里对颗粒物质进行了大量实验研究，比如说刚才提到的的巴西果现象。我们可以理解为，振动的时候，底下会有一些空隙，小的颗粒很容易去填充这些空隙。小颗粒一填充以后，大的颗粒就被垫高，每振动一次垫高一点，所以最后大颗粒就停留到表面上，下不来了。
这些现象其实都和重力非常相关，重力是影响颗粒物质运动的一个重要因素。既然重力是一个重要因素，是不是要有一个微重力平台去消除重力，这样我们才能去研究这个颗粒的本征行为。
有一个最简单的微重力平台叫落塔，在北京四环的对面就有一个落塔。
我们把实验装置放到塔顶上，就像伽利略做比萨斜塔实验一样往下扔，它可以给我们提供3.3秒的微重力时间。我们的装置放在落仓里头，然后落下来，落下来之后有两个网兜，回收我们的装置。
3.3秒我们觉得太短了，我们想延长这个时间。有一种做法来自德国不来梅的落塔是上抛式落塔。
它同样是一个落塔，但是落仓将实验装置放在底部，而不是顶上，然后从底下往上抛。这个时候，同样的100米，这个装置可以走两遍，所以这个落塔的微重力时间可以延长到9.3秒。
还有一种做法是失重飞机，NASA跟ESA用得比较多。飞机本来是平飞的，把机头抬起来到一定高度的时候，把引擎关掉，然后让飞机自由滑翔。因为有重力，所以滑翔是一个抛物线下来。到了一定高度，再把引擎打开，这个飞机又恢复。这样的话，每一次飞行会提供22秒的失重。
下面是欧空局官网上留下来的视频，是当年我带学生去做失重飞机实验的记录，当时是第一个中国人去做这个实验。
我们国家用得比较多的是返回式卫星，返回式卫星可以给我们提供从几小时到最长两星期的微重力实验。我参加了“实践八号”跟“实践十号”的实验，下面是“实践十号”的发射和回收的情景。
在这个房间里有气体分子，这个气体分子看不见摸不着，可是只要知道温度、压力跟体积，就可以描述这个分子。在这个小剧场里，这个分子的运动、速度分布和密度，都可以得到。那对于悬浮的颗粒，能不能有一个统计分布的规律？
我们在失重飞机上做了一个实验。当密度增加时，悬浮的颗粒会形成团簇，这是一个很特别的、分子气体没有的一个现象。这个现象表示，我们其实很难得到一个普适的结果。
颗粒团簇汇聚的现象其实是很重要的。因为在行星形成的过程中，比如像地球形成的过程里，第一步就是碰撞，然后汇聚，有这个汇聚最后才会形成行星这样的星球。
Wurm and Teiser, Nat. Rev. Phys., 2021
在太空中“摇啊摇”
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前面讲的这些微重力平台能提供的微重力时间非常有限。我们在两年前（2023年）开始建设并完成了中国空间站（装置）。中国空间站是一个能够长时间提供稳定微重力的实验平台，是我们能利用的最好的实验平台。
而且中国空间站里面有变重力舱，变重力舱里有一对离心机。当装置在离心机里头转，我们可以通过变换离心机的转速来改变重力。我们的样品感受到的重力加速度可以从0 g、1 g到2 g。
有了中国空间站，有了变重力柜之后，我们把巴西果效应搬到空间站上来做，研究重力在里头扮演了一个什么样的角色。
要完成这个实验，还有几个难题要解决。第一个难题是在颗粒桶里，大的颗粒在小的颗粒里是看不见的，那怎样才能检测这个“入侵颗粒”的运动轨迹呢？我们希望看它的动力学时，知道它的运动轨迹。
后来，我们提出一个方法，叫霍尔效应。什么叫霍尔效应呢？比如说这有一个导体，当这个导体感受到磁场的时候，会在垂直方向产生一个电压，这就是霍尔效应。我们从测量到的电压大小可以知道导体感受到的磁场大小。
如果我在入侵颗粒里安一个磁铁、磁芯，那么这个时候，这个入侵颗粒的运动就会改变导体所感受到的磁场。所以，由此拿到的这个电压可以反过来算出颗粒的位置。解决第一个难题的方法，就是靠霍尔元件阵列磁测方法来追踪磁性颗粒的轨迹。
第二个问题也很大，如何遥控大颗粒在实验中的初始位置？在实验室里，要改变振动模式，或者是要测量巴西果效应，我需要自己用手去转它，来改变大颗粒的位置。可是在空间站上，我们没有办法去用手控制它，也不能经常让宇航员来帮忙做实验，所以我们必须遥控大颗粒在实验中的初始位置。
后来，我们想到一个方法。我们在实验室里头先做了模拟，发现可以通过改变振动参数，来调节颗粒的初始位置。这个是空间站的颗粒振动实验装置。这么大的一个实验装置，包括振台等东西，要把它浓缩成这么小，是非常困难的。
这个装置做了大概两年，一直做到第二天要上飞机，要到文昌发射基地，还在做检测，所以是非常紧张的。这个实验是2022年底由天舟五号货运飞船送到空间站，然后神舟十五号航天员在轨安装到问天舱的变重力柜里头。
下面是装置振动的情况，可以看到大颗粒在上头。这个实验是送上基地之前拍摄的，所以是在有重力的情况下拍的。
这个装置用了大概两年多，在天上取了很多数据。2025年4月，我们最后还补了一个月的实验，然后在2025年5月，把这个装置送上天舟八号去废弃掉。昨天（2025年7月10日），我们看到新闻，它已经随着天舟八号掉在太平洋里了。
这个实验里最重要的是什么？刚才我们看到大球永远是浮上来的，但我们通过变重力柜改变重力，在低重力环境下，看到了反巴西果现象——大球会降到底。
首次观察到低重力环境下的反巴西果效应
把真实的数据可视化之后，我们可以看到颗粒在不同的振动模式下是如何运动的，它的运动轨迹可以看得很清楚。我们原来设计的靠改变振动参数来调节它位置的方案，是可行的。
最后，我们拿到一个很重要的相图。从相图可以看到，纵轴是振动强度，在这个振动强度范围里，是1倍到5倍的环境重力。横轴是真正的环境重力，是我们在低重力下做的。最后这个红点是月球的重力。我们发现，在月球的重力下可以看到反巴西果效应，可是当我们把这个横线延伸到一个g的位置的时候，反巴西果现象就没有了。这就是为什么我们看到的总是巴西果现象。
巴西果效应-反巴西果效应的转变阈值，随重力的增加而减小
通过下图可以看到，霍尔元件阵列的检测方法非常精确。纵轴（Z轴）是大颗粒上升下降的的位置坐标。左下这个红色线条表示，当我使用比较强的振动时，大颗粒从左下角的位置，经过了大概10秒，上到顶上去。然后我使用小振动的时候，大颗粒从比较高的位置下到底下。
通过这个检测方法，不但可以看到颗粒运动的整个过程，还可以发现，大颗粒是随着每一次振动走的，已经到这种精度。我们可以通过测量发现，当振动强度强的时候，大颗粒每一次走的时候会往上垫高一点。那么往下走的时候，每一个周期大颗粒都往下一点。这表示，每一次的运动有撞击和惯性，这两个机制相互竞争。
巴西果现象也有一些用处。举个例子，小行星表面非常粗糙，我们国家现在想要在小行星上做样品回收。小行星表面之所以比较粗糙，是因为小行星很容易受到撞击，撞击以后它本身会震动，震动了就会产生巴西果现象，粗糙的砾石就会浮在上头，所以要在月球、火星等小行星上建造基地，就要考虑重力的影响。
刚才讲的研究，都是以颗粒体系作为理解复杂系统现象的窗口，相当于由一粒沙来看世界。我很喜欢William Blake一首诗，下面我用这首诗的前四句，来结束我今天的报告。
一沙一世界，
一花一天国。
君掌盛无边，
刹那含永劫。
我们认识这个世界时，真理就在我们身边。
谢谢大家！
