科技|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_

你玩过沙子或沙漏吗？
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——

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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——

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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。

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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。

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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。

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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。

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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
【科技|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】
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。

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摩洛哥西南部的鸣沙被当地人称为"barkhanes" 。图片来源：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。

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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。

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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。

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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。
来源：把科学带回家

编辑：荔枝

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