所有人都以为沙子是这样落的，直到25年前物理学家发现了一个奇怪现象
把科学带回家
专注于孩子的科普教育12-07 08:13
撰文 七君
你玩过沙子或沙漏吧？
沙子落下时，是什么样的？如果你在世界上的大部分地区，沙子落下来堆积成丘的时候，应该是均匀向下四处扩散的对吧。
类似于这样——
这个现象好像放之四海而皆准，以至于物理学家为沙丘的这种增长模式取了一个名字——雪崩动态（avalanche dynamics）。
雪崩动态一般是由丹麦理论物理学家 Per Bak、汤超（目前是北京大学前沿交叉学科研究院执行院长）和美国物理学家 Kurt Wiesenfeld 在1987年提出的自组织临界性（SOC）理论解释的。但是在15年前，雪崩动态和SOC理论不灵了。
1995年，来自古巴哈瓦那大学的物理学家 Ernesto Altshuler 为了向学生演示沙丘的雪崩动态，找了一些沙子做实验。奇怪的是，这些沙子并没有按照雪崩动态聚集成沙丘。我们先来看图——
是的，这些沙子并没有均匀地从沙丘顶部向下方滚动，而是扭成了一条沙蛇，而附近的沙粒并不受影响。更有趣的是，这条沙蛇有时是顺时针旋转的，有时是逆时针的，并没有固定的方向，但只要一开始沙蛇的方向确定，之后就不再变化了。
根据 Altshuler 的自述，他当时感到震惊和愤怒，因为自己制造的沙丘违反了经典的 SOC 理论，这样要如何和学生解释呢？
Altshuler 一时半会儿也想不出办法，于是就把这些沙子和装置封存了起来。但是5年后，这些沙子又一次让物理学家们感到惊奇。
Ernesto Altshuler 图片来源：Science magazine
2000年，Altshuler 来到休斯顿大学 Paul C.W. Chu 的组里做博士后研究。Chu 是德州超导中心的创始人，而休斯顿大学也是 SOC 理论的主要根据地之一。
在那里，他认识了休斯顿大学的物理学家 Kevin Bassler 以及 SOC 理论创始人之一的 Per Bak 的妻子 Maya Paczuski。
实际上，Kevin Bassler 原本是 SOC 理论的坚定支持者，但是 Altshuler 告诉他，SOC 可能不符合实际。Bassler 显得非常兴奋，他说：“Ernesto，这件事很重要，我大不相信。”
为了向 Bassler 展示迷人的沙蛇，Altshuler 去学校停车场拿了一些沙子来做实验。可是，这些沙子并没有展示出沙蛇的效果。他觉得很尴尬，于是让在古巴的学生去拿当时他用过的沙子重新测试一下。结果，古巴的沙子确实产生了沙蛇现象。
回到古巴后，他马上拍摄了沙蛇的视频发给 Bassler。这个现象引起了 Bassler 和 Per Bak 的浓厚兴趣，Per Bak 甚至提出要来看看 Altshuler 的实验。
之后，Bassler 和 Altshuler 开始合作研究。在2003年和2008年，他们将相关实验结果分别发表在 Physical Review Letters 和 Physical Review E 上。
原来，并不是所有的沙丘都是以雪崩形式累积而成的。不过，世界上只有少数地区的沙子才能做出沙蛇的效果。
Altshuler 的沙子是从哈瓦那大学的材料研究所的储藏室取的。后来，他才知道这些沙子来自 Santa Teresa，这个地方离哈瓦那大概有200千米的距离。而这些沙子本来是要被用来制造半导体的。
Santa Teresa 的沙子的纯度很高，颗粒直径大概是0.2毫米，从外观上看和其他沙子没有什么差别。可是为什么那里的沙子才具有沙蛇的性质呢？
为了搞清楚这个问题，在2006年，Altshuler 带着这种沙子来到法国斯特拉斯堡大学的物理研究所（Institut de Physique du Globe de Strasbourg）。那里的研究者对 Santa Teresa 沙子进行电子显微镜扫描和其他试验。可惜的是，他们并没有找到这个地方沙子与众不同的答案。
电子显微镜下，Santa Teresa的沙子（a）看起来和富含碳酸钙的沙子（b）以及普通沙子（c）没有什么不同，但是其他两种沙子并不会产生沙蛇。图片来源：（DOI）10.1007/978-3-319-51624-0_3
更奇怪的是，Santa Teresa 的沙子样品虽然一开始有沙蛇现象，但是重复几次后却变“正常”了，这让研究者们感到很困惑。
摩洛哥西南部的鸣沙被当地人称为"barkhanes" alt="500" />
当然，以前也发生过类似的事。摩洛哥的 Ghord Lahmar 地区有一种著名的鸣沙，鸣沙在野外会发出“歌声”。但是鸣沙被带到实验室一段时间后，就会慢慢失去唱歌的技能。
当然，鸣沙变哑炮的问题已经被解决，这是因为鸣沙表面慢慢形成了一层硅胶。但是 Santa Teresa 沙子失去沙蛇技能的问题现在还没有人知道答案。
不过，世界上是不是只有哈瓦那才出产能舞动的沙子呢？
倒也不是。Altshuler 在得知哈瓦那大学的 Eros Salinas 爱好收藏沙子后，就去取了不同沙子进行了沙丘实验。结果发现，在全世界采集的100份不同沙子样品中，有11份展现出了沙蛇现象。
实际上，普通沙子在堆积成丘时，沙蛇会存在很短的一段时间，但是 Santa Teresa 沙子却能长期保留这种状态。
到目前为止，还没有人能很好地解释沙蛇现象，也没有人能解开 Santa Teresa 沙子的奥秘。虽然不知道原理，但是 Altshuler 和 Bassler 做了许多实验，详细描述了沙蛇的运动。
首先，如果沙子是被堆在水平面上，那么沙蛇绕沙丘一圈的时间会越来越长。
但是，如果沙子被堆在一个圆柱形的容器中，那么沙蛇绕一圈的时间是不变的。
如果沙丘底部直径比较大，沙蛇的运动是离散的，类似于秒针的转动。
其次，旋转沙蛇还有一个奇怪的特点，那就是如果沙丘比较小，那么沙蛇的运动是连续的，如果沙丘比较大，那么它的运动就是离散的，类似于秒针转动。
他们还发现，如果离散沙蛇出现，沙丘就会更加紧实，而连续的沙蛇堆积的沙丘更为松散。
一些地理现象可能和沙蛇的类型有关，在工业上，比如在储存谷物时这个知识也可能有用。下次玩沙子的时候，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 子看起来和别人没什么两样，没想到聚起来可以变成动态沙雕。