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
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25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。
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。|(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"。| H. Raguet/CNRS Photothèque
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。
参考资料:
Altshuler E.; et al. (2003). "Sandpile formation by revolving rivers". Physical Review Letters. 91 (1): 014501.
Altshuler, E., et al. "Revolving rivers in sandpiles: from continuous to intermittent flows." Physical Review E 77.3 (2008): 031305.
Altshuler, Ernesto. "Strange Phenomena in Cuban Sands." Guerrilla Science. Springer, Cham, 2017. 23-43.
YouTubeRiosEng.wmv complexexperiments
Bak, P., Tang, C. and Wiesenfeld, K.. Self-organized criticality: an explanation of 1/f noise. Physical Review Letters. 1987, 59 (4): 381–384.
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