原創(chuàng) 萬物 把科學(xué)帶回家

撰文 七君

你玩過沙子或沙漏吧？

沙子落下時，是什么樣的？如果你在世界上的大部分地區(qū)，沙子落下來堆積成丘的時候，應(yīng)該是均勻向下四處擴散的對吧。

類似于這樣——

這個現(xiàn)象好像放之四海而皆準，以至于物理學(xué)家為沙丘的這種增長模式取了一個名字——雪崩動態(tài)（avalanche dynamics）。

雪崩動態(tài)一般是由丹麥理論物理學(xué)家 Per Bak、湯超（目前是北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院執(zhí)行院長）和美國物理學(xué)家 Kurt Wiesenfeld 在1987年提出的自組織臨界性（SOC）理論解釋的。但是在15年前，雪崩動態(tài)和SOC理論不靈了。

1995年，來自古巴哈瓦那大學(xué)的物理學(xué)家 Ernesto Altshuler 為了向?qū)W生演示沙丘的雪崩動態(tài)，找了一些沙子做實驗。奇怪的是，這些沙子并沒有按照雪崩動態(tài)聚集成沙丘。我們先來看圖——

是的，這些沙子并沒有均勻地從沙丘頂部向下方滾動，而是扭成了一條沙蛇，而附近的沙粒并不受影響。更有趣的是，這條沙蛇有時是順時針旋轉(zhuǎn)的，有時是逆時針的，并沒有固定的方向，但只要一開始沙蛇的方向確定，之后就不再變化了。

根據(jù) Altshuler 的自述，他當(dāng)時感到震驚和憤怒，因為自己制造的沙丘違反了經(jīng)典的 SOC 理論，這樣要如何和學(xué)生解釋呢？

Altshuler 一時半會兒也想不出辦法，于是就把這些沙子和裝置封存了起來。但是5年后，這些沙子又一次讓物理學(xué)家們感到驚奇。

Ernesto Altshuler 圖片來源：Science magazine

2000年，Altshuler 來到休斯頓大學(xué) Paul C.W. Chu 的組里做博士后研究。Chu 是德州超導(dǎo)中心的創(chuàng)始人，而休斯頓大學(xué)也是 SOC 理論的主要根據(jù)地之一。

在那里，他認識了休斯頓大學(xué)的物理學(xué)家 Kevin Bassler 以及 SOC 理論創(chuàng)始人之一的 Per Bak 的妻子 Maya Paczuski。

實際上，Kevin Bassler 原本是 SOC 理論的堅定支持者，但是 Altshuler 告訴他，SOC 可能不符合實際。Bassler 顯得非常興奮，他說：“Ernesto，這件事很重要，我大不相信。”

為了向 Bassler 展示迷人的沙蛇，Altshuler 去學(xué)校停車場拿了一些沙子來做實驗。可是，這些沙子并沒有展示出沙蛇的效果。他覺得很尷尬，于是讓在古巴的學(xué)生去拿當(dāng)時他用過的沙子重新測試一下。結(jié)果，古巴的沙子確實產(chǎn)生了沙蛇現(xiàn)象。

回到古巴后，他馬上拍攝了沙蛇的視頻發(fā)給 Bassler。這個現(xiàn)象引起了 Bassler 和 Per Bak 的濃厚興趣，Per Bak 甚至提出要來看看 Altshuler 的實驗。

之后，Bassler 和 Altshuler 開始合作研究。在2003年和2008年，他們將相關(guān)實驗結(jié)果分別發(fā)表在 Physical Review Letters 和 Physical Review E 上。

原來，并不是所有的沙丘都是以雪崩形式累積而成的。不過，世界上只有少數(shù)地區(qū)的沙子才能做出沙蛇的效果。

Altshuler 的沙子是從哈瓦那大學(xué)的材料研究所的儲藏室取的。后來，他才知道這些沙子來自 Santa Teresa，這個地方離哈瓦那大概有200千米的距離。而這些沙子本來是要被用來制造半導(dǎo)體的。

Santa Teresa 的沙子的純度很高，顆粒直徑大概是0.2毫米，從外觀上看和其他沙子沒有什么差別。可是為什么那里的沙子才具有沙蛇的性質(zhì)呢？

為了搞清楚這個問題，在2006年，Altshuler 帶著這種沙子來到法國斯特拉斯堡大學(xué)的物理研究所（Institut de Physique du Globe de Strasbourg）。那里的研究者對 Santa Teresa 沙子進行電子顯微鏡掃描和其他試驗。可惜的是，他們并沒有找到這個地方沙子與眾不同的答案。

電子顯微鏡下，Santa Teresa的沙子（a）看起來和富含碳酸鈣的沙子（b）以及普通沙子（c）沒有什么不同，但是其他兩種沙子并不會產(chǎn)生沙蛇。圖片來源：（DOI）10.1007/978-3-319-51624-0_3

更奇怪的是，Santa Teresa 的沙子樣品雖然一開始有沙蛇現(xiàn)象，但是重復(fù)幾次后卻變“正常”了，這讓研究者們感到很困惑。

摩洛哥西南部的鳴沙被當(dāng)?shù)厝朔Q為"barkhanes"。圖片來源：H. Raguet/CNRS Photothèque

當(dāng)然，以前也發(fā)生過類似的事。摩洛哥的 Ghord Lahmar 地區(qū)有一種著名的鳴沙，鳴沙在野外會發(fā)出“歌聲”。但是鳴沙被帶到實驗室一段時間后，就會慢慢失去唱歌的技能。

當(dāng)然，鳴沙變啞炮的問題已經(jīng)被解決，這是因為鳴沙表面慢慢形成了一層硅膠。但是 Santa Teresa 沙子失去沙蛇技能的問題現(xiàn)在還沒有人知道答案。

不過，世界上是不是只有哈瓦那才出產(chǎn)能舞動的沙子呢？

倒也不是。Altshuler 在得知哈瓦那大學(xué)的 Eros Salinas 愛好收藏沙子后，就去取了不同沙子進行了沙丘實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在全世界采集的100份不同沙子樣品中，有11份展現(xiàn)出了沙蛇現(xiàn)象。

實際上，普通沙子在堆積成丘時，沙蛇會存在很短的一段時間，但是 Santa Teresa 沙子卻能長期保留這種狀態(tài)。

到目前為止，還沒有人能很好地解釋沙蛇現(xiàn)象，也沒有人能解開 Santa Teresa 沙子的奧秘。雖然不知道原理，但是 Altshuler 和 Bassler 做了許多實驗，詳細描述了沙蛇的運動。

首先，如果沙子是被堆在水平面上，那么沙蛇繞沙丘一圈的時間會越來越長。

但是，如果沙子被堆在一個圓柱形的容器中，那么沙蛇繞一圈的時間是不變的。

如果沙丘底部直徑比較大，沙蛇的運動是離散的，類似于秒針的轉(zhuǎn)動。

其次，旋轉(zhuǎn)沙蛇還有一個奇怪的特點，那就是如果沙丘比較小，那么沙蛇的運動是連續(xù)的，如果沙丘比較大，那么它的運動就是離散的，類似于秒針轉(zhuǎn)動。

他們還發(fā)現(xiàn)，如果離散沙蛇出現(xiàn)，沙丘就會更加緊實，而連續(xù)的沙蛇堆積的沙丘更為松散。

一些地理現(xiàn)象可能和沙蛇的類型有關(guān)，在工業(yè)上，比如在儲存谷物時這個知識也可能有用。下次玩沙子的時候，好好留意一下你的沙子是不是具有奇特技能的那十分之一吧。

一些 sha 子看起來和別人沒什么兩樣，沒想到聚起來可以變成動態(tài)沙雕。

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https://shimo.im/docs/TRpqrCWhwVPVXRRH/ 喜歡此內(nèi)容的人還喜歡

原標(biāo)題：《所有人都以為沙子是這樣落的，直到25年前物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個奇怪現(xiàn)象》

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