沙子為什么會(huì)“唱歌”

俞靜

多個(gè)世紀(jì)以來(lái)，一些沙漠旅人稱他們聽(tīng)見(jiàn)沙丘在“唱歌”。事實(shí)上，地球上的許多沙漠、島嶼甚至海灘，都被發(fā)現(xiàn)有會(huì)“唱歌”的沙子。人們?cè)陬I(lǐng)略大自然的奇妙的同時(shí)也感到困惑不解：沙子為什么會(huì)“唱歌”？為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，一百多年來(lái)，科學(xué)家們根據(jù)實(shí)地勘察和實(shí)驗(yàn)提出了很多理論，但至今未能取得一致的意見(jiàn)。

肉桂色的沙子發(fā)出奇怪的聲音，有時(shí)低沉而有節(jié)奏，像催人入睡的催眠曲或信徒們的誦經(jīng)聲，有時(shí)又像西藏喇嘛法器對(duì)撞發(fā)出的沉悶的聲音。這些聲音并非來(lái)自沙漠里的沙丘，而是來(lái)自法國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·多瓦迪的位于巴黎第七大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。

多瓦迪一直從事一些特殊領(lǐng)域的研究，現(xiàn)在他的具體研究對(duì)象是會(huì)“唱歌”的沙子，即科學(xué)界所稱的“鳴沙”，這是最浪漫同時(shí)也最令人費(fèi)解的自然現(xiàn)象之一。多瓦迪關(guān)于沙子會(huì)“唱歌”的文章中充滿了詩(shī)意和熱情，只要你打開(kāi)他的網(wǎng)頁(yè)，最先映入你眼簾的將是英國(guó)浪漫主義詩(shī)人威廉·華茲華斯的詩(shī)句，以及如何將“沙丘之歌”納入藝術(shù)和音樂(lè)領(lǐng)域的探討。

沙漠旅人早就知道，沙漠中的流沙會(huì)發(fā)出各種怪異的聲音——哨聲、笛聲、豎琴聲、提琴聲、雷鳴聲、擂鼓聲、發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲，有時(shí)低沉有力，有時(shí)尖銳響亮。早在1500年前，中東地區(qū)的一些著述中就記載過(guò)“沙子會(huì)唱歌”的奇特現(xiàn)象。公元1200年，中國(guó)的古代文人也描述過(guò)這種現(xiàn)象。“二戰(zhàn)”期間，英國(guó)軍人兼科學(xué)家拉爾夫·拜格諾在他1941年出版的一本書中寫道：“會(huì)唱歌的沙丘，就像海妖的歌聲，魅惑著沙漠里的旅行者，令他們走向無(wú)水的絕境，地下的喪鐘來(lái)自被沙漠吞噬的寺院。”

實(shí)驗(yàn)室里的“沙漠”

在多瓦迪的實(shí)驗(yàn)室里，幾立方厘米大小的“沙灘”發(fā)出的是一種令人愉悅的低頻背景聲音，而在真正的沙漠里，沙丘發(fā)出的聲音可高達(dá)120分貝，這已達(dá)到了人耳的痛閾，會(huì)使人的耳朵感到疼痛。所以，著名國(guó)際旅行家馬可·波羅曾將沙漠里沙丘發(fā)出的聲音比作“不祥的戰(zhàn)鼓聲”。

那么，沙子為什么會(huì)“唱歌”呢？一種理論認(rèn)為，沙漠里的高大沙丘山脊不斷形成和倒塌，倒塌時(shí)會(huì)引發(fā)小型的沙子“雪崩”，無(wú)數(shù)沙粒在崩塌時(shí)互相摩擦，于是就發(fā)出了奇妙的聲音。多瓦迪進(jìn)一步指出，不同的沙子在不同的條件下會(huì)發(fā)出不同的聲音。多瓦迪的實(shí)驗(yàn)表明，沙子是否“唱歌”，起至關(guān)重要作用的是沙子運(yùn)動(dòng)的同步性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，必須有足夠多的沙粒以相同的速率流動(dòng)，才能在振蕩時(shí)形成并放大聲音。

在沙子運(yùn)動(dòng)同步性的背后還有多種因素，如風(fēng)速和濕度等，“沙子唱歌”多發(fā)生在溫暖干燥的氣候條件下，而沙粒的大小以及沙粒表面的平滑度也是重要因素，像表面光澤度極好的黏土質(zhì)粉砂或方解石晶粒就有可能“唱歌”。沙子的“歌聲”頻率范圍很廣，低至64赫茲，高達(dá)120赫茲。

多瓦迪在自己的實(shí)驗(yàn)室里復(fù)制了一個(gè)1∶1000的小型沙漠，這座人造沙丘由微小的陶瓷球構(gòu)成，而推動(dòng)沙丘移動(dòng)的力量不是風(fēng)，而是水（多瓦迪還希望能破解千百年來(lái)沙丘不停移動(dòng)的奧秘）。

對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，沙子就是沙子，對(duì)于其他很多領(lǐng)域的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，沙子就是硅土或硅石，而對(duì)于身為物理學(xué)家的多瓦迪來(lái)說(shuō)，沙子是一種流動(dòng)著的物質(zhì)，它能夠同時(shí)以有序與無(wú)序的方式運(yùn)動(dòng)，在漫長(zhǎng)的歲月里，它的行為變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越神秘。他說(shuō)，“我們正在做的，就是努力了解沙子的這種有序與無(wú)序的運(yùn)動(dòng)，我們正在尋找沙子隨著時(shí)間的流逝而日漸復(fù)雜的機(jī)制。”

沙漠里的探秘行動(dòng)

在美國(guó)加利福尼亞州東部的尤利卡谷中一座很特別的沙丘上，以加州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)教授麥蘭尼·亨特為首的一隊(duì)美國(guó)科學(xué)家正準(zhǔn)備從光滑的沙丘頂上滑溜下去。科學(xué)家們可不是在玩什么滑沙游戲，他們承受著沙漠烈日的炙烤，目的是進(jìn)行一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，以解開(kāi)長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著包括多瓦迪在內(nèi)的物理學(xué)家和普通大眾的一個(gè)自然現(xiàn)象：為什么一些沙丘會(huì)“唱歌”？

每當(dāng)炎熱的夏季來(lái)臨，科學(xué)家們就集中到了這里。他們幾乎每天天不亮就從駐地出發(fā)，驅(qū)車三個(gè)半小時(shí)抵達(dá)沙漠，然后拖著沉重的設(shè)備攀上那些大沙丘的頂部，在那里工作4～5小時(shí)，直到中午才返回涼爽的實(shí)驗(yàn)室里，對(duì)一天的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析和研究。沙漠里的工作條件極為惡劣，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓沙丘“唱歌”的想法誘惑并激勵(lì)著科學(xué)家們堅(jiān)持下去。

沙子“唱歌”之謎不僅困惑著物理學(xué)家們，也是近十年來(lái)世界頂尖級(jí)科學(xué)家在國(guó)際物理學(xué)期刊上爭(zhēng)執(zhí)不休的課題，沙子“唱歌”的持久的科學(xué)魅力源自于這樣一個(gè)事實(shí)：科學(xué)家們很難確定他們的實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)象，也就是說(shuō)，他們很難確定究竟哪些沙丘會(huì)“唱歌”——并不是所有沙漠的沙丘都會(huì)“唱歌”，而且那些會(huì)“唱歌”的沙丘也不會(huì)一年到頭都“唱歌”。科學(xué)家們一致認(rèn)同的是，沙子的“歌聲”通常只來(lái)自沙丘的滑動(dòng)面（背風(fēng)面），而在較低淺的迎風(fēng)面從來(lái)都不會(huì)發(fā)聲。更重要的是，沙丘“唱歌”只發(fā)生在炎熱干燥的季節(jié)，因?yàn)槟菚r(shí)的沙粒更為潔凈光滑。盡管有這些線索，但最根本的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決：到底是什么令沙子“唱歌”？

加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)使用了一系列技術(shù)，包括地震折射勘探和探地雷達(dá)技術(shù)。科學(xué)家們的研究方法是：利用人從沙丘頂上滑下時(shí)所采取的不同的滑動(dòng)和停止動(dòng)作，來(lái)調(diào)整沙子發(fā)出的聲音的波長(zhǎng)和音量。現(xiàn)在，通過(guò)大量的實(shí)踐，科學(xué)家們已經(jīng)可以利用他們的身體在沙丘上“彈奏”出各種聲音，沙丘對(duì)于他們來(lái)說(shuō)就好像是一個(gè)巨大的樂(lè)器。

探索與理論碰撞

關(guān)于沙子為什么會(huì)“唱歌”最早的科學(xué)解釋，來(lái)自前面提到過(guò)的“二戰(zhàn)”期間的軍官拉爾夫·拜格諾，此人在“二戰(zhàn)”期間是英國(guó)陸軍“遠(yuǎn)程沙漠小組”的創(chuàng)始人和首任指揮官，他在執(zhí)行任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了會(huì)“唱歌”的沙丘并產(chǎn)生了研究興趣。他開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述這一現(xiàn)象。他認(rèn)為，沙子發(fā)出的聲音的頻率，與沙丘崩塌時(shí)沙粒向下移動(dòng)的速度成正比，與沙粒的大小成反比。今天的一些科學(xué)家相信拜格諾的數(shù)學(xué)模型在一定程度上是正確的，但他們并沒(méi)有完全接受它，因?yàn)槔眠@一數(shù)學(xué)模式算出的聲音頻率遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查記錄。

20世紀(jì)下半葉以后，為破解沙子“唱歌”之謎，人們進(jìn)行了很多現(xiàn)場(chǎng)勘察，也提出了很多新的理論，其中包括法國(guó)科學(xué)家布魯諾·安德烈?jiàn)W蒂和多瓦迪分別于2004年和2006年發(fā)表的兩種頗有說(shuō)服力的理論。

2001年，作為巴黎高等師范學(xué)校的同事，安德烈?jiàn)W蒂和多瓦迪一起去摩洛哥研究新月形沙丘。在那里，一場(chǎng)意外引發(fā)的沙丘“雪崩”導(dǎo)致沙丘發(fā)出了傳說(shuō)中的“歌聲”。被這種大自然的奇景深深吸引，他們開(kāi)始研究沙丘“唱歌”之謎。但不久，他們對(duì)沙丘“唱歌”機(jī)制的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了分歧。

兩位科學(xué)家的分歧主要在于一個(gè)雖小卻很重要的細(xì)節(jié)：雖然他們都認(rèn)為沙丘的聲音來(lái)自“雪崩”產(chǎn)生的波，這些波通過(guò)摩擦將聲音放大，但聲音的放大源是什么，兩位科學(xué)家的看法不同。多瓦迪力圖用他的實(shí)驗(yàn)表明，聲音來(lái)自滑動(dòng)沙層內(nèi)部產(chǎn)生的共振，沙粒以相同的頻率彼此碰撞，產(chǎn)生的駐波反過(guò)來(lái)與沙粒同步，正是這種同步運(yùn)動(dòng)使一個(gè)個(gè)小沙粒在運(yùn)動(dòng)中“異口同聲”地發(fā)出了人耳可聽(tīng)到的聲音。而安德烈?jiàn)W蒂則認(rèn)為，沙粒之間的碰撞產(chǎn)生了滑動(dòng)沙層外部的震波，這些波被沙層崩塌表面反射，沙層崩塌形成了一定頻率的波導(dǎo)，有選擇性地放大了某些頻率的聲音。

2007年，加州理工學(xué)院的麥蘭尼·亨特等人根據(jù)他們的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)完全不同的機(jī)制。他們認(rèn)為，沙子發(fā)出的聲音取決于整個(gè)沙丘的特點(diǎn)，沙丘“唱歌”不僅僅取決于沙子本身，還取決于沙丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，沙丘發(fā)出的聲音來(lái)自沙丘內(nèi)部，而不是像安德烈?jiàn)W蒂和多瓦迪認(rèn)為的那樣來(lái)自沙層表面。

新的理論重新引發(fā)了人們關(guān)于沙子為什么會(huì)“唱歌”的爭(zhēng)論。可以預(yù)見(jiàn)，隱藏著太多秘密的會(huì)“唱歌”的沙子將吸引更多科學(xué)家的注意，而對(duì)于這一大自然未解之謎，人們的爭(zhēng)論還將持續(xù)下去。

“沙丘之歌”

◆世界上已發(fā)現(xiàn)的會(huì)“唱歌”的沙丘有數(shù)十座，最著名的有中國(guó)敦煌的鳴沙山、非洲納米比沙漠中的會(huì)發(fā)出轟鳴聲的沙丘、英國(guó)威爾士阿伯達(dá)倫附近的被稱為“呼嘯金沙”的沙丘、美國(guó)夏威夷群島上的會(huì)發(fā)出類似“汪汪”狗吠聲的大沙丘等。

◆在一些海灘上，如果人們用力拖著腳步走，干燥的沙子也會(huì)發(fā)出吱吱聲、口哨聲或吠叫聲等。在不列顛群島上有多處會(huì)“唱歌”的海灘，北美大西洋沿岸也有許多會(huì)“唱歌”的海灘，甚至在一些淡水湖也有會(huì)“唱歌”的湖灘。

◆沙丘發(fā)出聲音總是與沙子的“雪崩”式運(yùn)動(dòng)相伴隨。風(fēng)掠過(guò)沙丘脊部，附近有人或動(dòng)物行走，都可能引發(fā)沙子“雪崩”。

◆不同大小的沙粒發(fā)出不同頻率的聲音。中等大小的沙粒可發(fā)出各種聲音，從微弱的吱吱聲到高亢的聲音，極細(xì)小的沙粒只能發(fā)出非常微弱的吠聲。沙子發(fā)出的聲音可持續(xù)好幾分鐘，其頻率通常在60～120赫茲之間。

◆有科學(xué)家認(rèn)為，會(huì)“唱歌”的沙丘必須具備以下條件：沙粒圓潤(rùn)，直徑在0.1～0.5毫米之間；沙子含硅石或硅土成分；沙子需要擁有一定的濕度。具有高度完美球形的石英砂沙粒最有可能成為會(huì)“唱歌”的沙子。

◆有許多不同理論試圖解釋沙丘為什么會(huì)“唱歌”：沙丘的干燥層-潮濕層-干燥層結(jié)構(gòu)形成天然共鳴箱，當(dāng)“雪崩”的沙粒沿斜坡傾瀉而下時(shí)，表面的干燥沙粒的振動(dòng)波傳到內(nèi)部的潮濕層，引發(fā)共鳴；沙粒之間的摩擦，以及沙粒之間的空氣的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)聲；石英質(zhì)地的沙粒具有特殊的壓電性質(zhì)，受擠壓后會(huì)帶電，并在電的作用下作往復(fù)伸縮振動(dòng)，等等。

◆水也會(huì)對(duì)“唱歌”的沙丘產(chǎn)生影響。潮濕的沙子通常都保持沉默，因?yàn)樯沉６拣ぴ诹艘黄穑粫?huì)滑落，而少量的水則可以提高沙丘發(fā)出聲音的音調(diào)。最常見(jiàn)的會(huì)“唱歌”的海灘通常是在漲潮線以上的干海灘。