|
国际空间站上进行的一项实验能够帮助物理学家破译原子和分子的集体行为
暴乱的分子群
一个水分子很简单，它由一个氧原子和两个氢原子组成，人们很容易研究它的性质。很多水分子堆在一起，我们就得到了雪花、彩虹、冰块、薄雾……变幻万千的水分子的集合。不过要研究这些分子群的性质，就不那么容易了。
原子和分子一旦形成群体，就会变得很奇妙。通过在一定条件下将各种类型的分子化合在一起，科学家可以制造出各种科技新材料，比如说，坚不可摧的合金，室温下的超导体，对流星体和太阳风有自我防御能力和自我疗伤能力的飞船“皮肤”等等。材料设计方面前景广阔，但是却有个令人头疼的问题：成群的分子就像汹涌的波浪一样，很难预测，很难掌控，也就很难研究。
研究一两个简单的物体很容易。比方说利用力学知识，可以把单一行星围绕太阳的运动规律描述得简单而美妙，连中学生都可以轻易地解出万有引力方程来。那么现在再加上另外一个星球，三个球体互相拖曳，不停地运动，该怎么办呢？“三体问题”的复杂程度是出了名的，要精确了解它，必须依靠计算机。在量子力学里，也有三体问题，两个粒子的薛定鄂方程很容易解出，比如说氢原子里一个电子和一个质子。但是多加一个电子，那么就不得不借助计算机来计算了。
现在设想一下，不是三个粒子，而是1023个粒子的情况。这个巨大的数字只是一汤勺水里面的原子的个数。它们相互拖曳、相互束缚、相互碰撞着。任何时刻的相互作用数目都大得惊人。要描述这种场面，繁杂的计算量远远超过了任何人、任何电脑的能力，科学家只能做点近似研究。
只有在极少数的理想状况下，物理学家才能了解分子群的一些简单的规律，比如理想气体状态下，他们可以描述众多粒子的系统行为。然而，在新材料设计的过程中，基本不会出现这样的理想状态，那该如何研究这些成群的分子，制服它们呢？
|
