所有人都以為沙子是這樣落的，直到25年前物理學家發(fā)現一個奇怪現象

2020-12-07 18:02

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 萬物把科學帶回家

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，應該是均勻向下四處擴散的對吧。

類似于這樣——

這個現象好像放之四海而皆準，以至于物理學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家 Per Bak、湯超（目前是北京大學前沿交叉學科研究院執(zhí)行院長）和美國物理學家 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的物理學家 Ernesto Altshuler 為了向學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 Altshuler 的自述，他當時感到震驚和憤怒，因為自己制造的沙丘違反了經典的 SOC 理論，這樣要如何和學生解釋呢？

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家們感到驚奇。

Ernesto Altshuler 圖片來源：Science magazine

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

在那里，他認識了休斯頓大學的物理學家 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?！?/p>

為了向 Bassler 展示迷人的沙蛇，Altshuler 去學校停車場拿了一些沙子來做實驗?？墒牵@些沙子并沒有展示出沙蛇的效果。他覺得很尷尬，于是讓在古巴的學生去拿當時他用過的沙子重新測試一下。結果，古巴的沙子確實產生了沙蛇現象。

回到古巴后，他馬上拍攝了沙蛇的視頻發(fā)給 Bassler。這個現象引起了 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，他們將相關實驗結果分別發(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。