萬個骰子在「攪拌」下排成整齊同心圓，或為壓實粒狀物提供新思路

廚房裡最稀鬆平常的技巧——把糖倒罐子里，如果沒有倒完就裝的滿滿，就先給糖罐擰上蓋子，拍打幾下蓋子，這樣罐子里就又有了多餘的空間來盛剩下的白砂糖。

「壓實動力學」就是專門研究類似這種現象的學問。它在工業中有很多用途，物理學家們一直在研究重力作用下儘可能高效地封裝各種粒狀材料的方法。如今事實表明，研究用的的最酷的材料是骰子——但是和通常使用骰子的方法有些出入。

Asencio et al., Phys Rev Lett 2017

為了研究大量的顆粒狀材質堆在一起發生什麼，我們先把所有的顆粒都設定為相同的立方體。西班牙和墨西哥的一組物理學家所幸直接使用塑料遊戲骰子。試驗中使用25000個骰子——常規的六個面六個數字，邊長為半厘米(0.2英寸)。

物理學家將他們的骰子倒入一個直徑為8.7厘米(3.4英寸)的透明圓筒里，以每秒一圈的速度旋轉容器，攪拌它們——想象一下果汁機或打果泥機器一樣的東西。註：嚴格來說，不應該用攪拌一詞，因為沒有伸進去一根小棒來攪動它。實際上單純依靠離心力來翻動骰子。但是攪拌這個詞在這裡比較有形象感，容易領會精神

以前的工作表明，這種方法對於重新組織細長和「板狀」顆粒是有效的，後者是物理學家稱呼碎片物質用的術語。

攪動骰子時，研究人員注意到只有改變扭轉方向時，骰子才會發生移動。

Asencio et al., Phys Rev Lett 2017

「值得注意的是，當角速度方向倒轉時，系統就會受到干擾，並且骰子在剩餘的旋轉周期內會保持不動。」研究人員在報告中寫道。

和預期的一樣，立方體確實通過反覆的攪拌變得更加緊密地結合在一起，不是以混亂的方式，而是整整齊齊的堆疊在一起。

在圓筒旋轉三十萬次以後，骰子排列成整齊的同心圓環。這個團隊用一個較小的圓柱體再次重複了實驗結果——這只是一個令人著迷的現象。

他們還通過改變旋轉速度來調整強度——旋轉速度越快，旋轉切換時的造成的顛簸就越大。

同樣於事先的估計相同，旋轉角速度越緩，骰子從雜亂到整齊的所需的調節時間就越長。事實上，在最低強度的情況下，骰子幾乎沒有移動，研究人員假設，這可能需要「攪拌十年」才能達到骰子高效的整齊堆疊配置。

那麼為什麼骰子經過一系列攪拌會變得整齊呢？根據物理學家的說法，骰子的幾個面不可避免地會隨著剪切力的作用，將骰子的外表面向外推到容器的邊緣。

而且他們指出，以這種方式安排立方體實際上比我們通過外力擠壓來打包顆粒狀物質更有效率。那是因為除非你用特定的方式敲擊，否則材料永遠都不會進入最密集的陣型。

「事實上，與通常的觀察相反，不管外界施加的震動強度如何(只要足夠大)，系統都能達到相同的最終狀態。」他們寫道。

除了用來展示很酷的科學現象，這種骰子技巧或許會成為在低重力環境下處理封裝粒狀材料的操作基礎，比如說在太空里。

目前，該團隊正在準備在國際空間站上進行粒狀材料的實驗，老實說，我們迫不及待地想知道下面會發現什麼。

這項研究發表在《物理評論快報》(Physics Review Letters)上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。