俞靜
多個(gè)世紀(jì)以來,一些沙漠旅人稱他們聽見沙丘在“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。人們在領(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”?為了解開這個(gè)謎團(tuán),一百多年來,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。
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撞發(fā)出的沉悶的聲音。這些聲音并非來自沙漠里的沙丘,而是來自法國物理學(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”的文章中充滿了詩意和熱情,只要你打開他的網(wǎng)頁,最先映入你眼簾的將是英國浪漫主義詩人威廉·華茲華斯的詩句,以及如何將“沙丘之歌”納入藝術(shù)和音樂領(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“沙子會(huì)唱歌”的奇特現(xiàn)象。公元1200年,中國的古代文人也描述過這種現(xiàn)象?!岸?zhàn)”期間,英國軍人兼科學(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,令他們走向無水的絕境,地下的喪鐘來自被沙漠吞噬的寺院?!?/p>
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。簡單地說,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沙丘不停移動(dòng)的奧秘)。
對大多數(shù)人來說,沙子就是沙子,對于其他很多領(lǐng)域的科學(xué)家來說,沙子就是硅土或硅石,而對于身為物理學(xué)家的多瓦迪來說,沙子是一種流動(dòng)著的物質(zhì),它能夠同時(shí)以有序與無序的方式運(yùn)動(dòng),在漫長的歲月里,它的行為變得越來越復(fù)雜,越來越神秘。他說,“我們正在做的,就是努力了解沙子的這種有序與無序的運(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?!?/p>
沙漠里的探秘行動(dòng)
在美國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)美國科學(xué)家正準(zhǔn)備從光滑的沙丘頂上滑溜下去??茖W(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),以解開長期以來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,也是近十年來世界頂尖級(jí)科學(xué)家在國際物理學(xué)期刊上爭執(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)觀察對象,也就是說,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”??茖W(xué)家們一致認(rèn)同的是,沙子的“歌聲”通常只來自沙丘的滑動(dòng)面(背風(fēng)面),而在較低淺的迎風(fēng)面從來都不會(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,但最根本的問題仍然沒有得到解決: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)??茖W(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,來調(diào)整沙子發(fā)出的聲音的波長和音量?,F(xiàn)在,通過大量的實(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,沙丘對于他們來說就好像是一個(gè)巨大的樂器。
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,來自前面提到過的“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。他開發(fā)了一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型來描述這一現(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)場勘察,也提出了很多新的理論,其中包括法國科學(xué)家布魯諾·安德烈奧蒂和多瓦迪分別于2004年和2006年發(fā)表的兩種頗有說服力的理論。
2001年,作為巴黎高等師范學(xué)校的同事,安德烈奧蒂和多瓦迪一起去摩洛哥研究新月形沙丘。在那里,一場意外引發(fā)的沙丘“雪崩”導(dǎo)致沙丘發(fā)出了傳說中的“歌聲”。被這種大自然的奇景深深吸引,他們開始研究沙丘“唱歌”之謎。但不久,他們對沙丘“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)為沙丘的聲音來自“雪崩”產(chǎn)生的波,這些波通過摩擦將聲音放大,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)生的駐波反過來與沙粒同步,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)出了人耳可聽到的聲音。而安德烈奧蒂則認(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,沙丘發(fā)出的聲音來自沙丘內(nèi)部,而不是像安德烈奧蒂和多瓦迪認(rèn)為的那樣來自沙層表面。
新的理論重新引發(fā)了人們關(guān)于沙子為什么會(huì)“唱歌”的爭論??梢灶A(yù)見,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,而對于這一大自然未解之謎,人們的爭論還將持續(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、英國威爾士阿伯達(dá)倫附近的被稱為“呼嘯金沙”的沙丘、美國夏威夷群島上的會(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??砂l(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,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“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?,不?huì)滑落,而少量的水則可以提高沙丘發(fā)出聲音的音調(diào)。最常見的會(huì)“唱歌”的海灘通常是在漲潮線以上的干海灘。