鸣沙现象的背后机制,究竟是粒子还是波?

2018 年 11 月 21 日 中科院物理所

该文章授权转载自新发现sciencevie

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光的本质是什么的难题自17世纪起就一直困扰着物理学家。它是波还是粒子流?两种答案完全无法统一。

直到20世纪20年代,这道难题才最终被巧妙化解。量子力学揭示了光的双重身份,光子既是波也是粒子。关于光的争议就此终结。

波粒二象性示意图说明,从不同角度观察同样一件物体,可以看到两种迥然不同的图样。

然而,同一道难题再次不期而至。这一回,它不再与光明黑暗相关,它来自广袤无垠、干燥多风的沙丘。或者说,来自沙丘的“歌声”。

这种奇特的声响如小提琴琴声一般铿锵有力,但沙丘既没有琴弦也没有共鸣箱⋯⋯只有一望无际的沙子。经过一个世纪的沙漠探险和实验室研究,现有两种理论宣称能够解释这些“乐曲”的来源,而且都认为它们与沙丘的基本属性有关。

第一种理论由法国巴黎高等物理化工学院物理学家布鲁诺·安德烈奥蒂(Bruno Andreotti)提出,认为这声响来自波动;

第二种理论的最新表述则来自几个月前荷兰莱顿大学物理学家西蒙·达瓜-博伊(Simon Dagois-Bohy)的论文,认为声响是沙粒相互撞击所致。

同一种现象,两种对立的模型,当年那个著名难题转世重生!但这一回,物理学家再也无法找到一丝可能调和他们方程式的线索⋯⋯


频率明确且自发生成的声响

神秘的鸣沙现象曾引来无数描写。首先是丝绸之路上的旅行家,如马可·波罗就曾提及“鬼泣”,或是“多种乐器共鸣,尤其是鼓声和武器撞击声”在“空中回荡”。

然后是19世纪的物理学家,他们因这种强有力的乐音全凭自发生成而感到惊讶。“要听一下你才能明白它的神奇。这声音是如此强大,你甚至能够感到大地在脚下震颤!”西蒙·达瓜-博伊强调。

人们迅速注意到这声响来自流沙,它们的频率很明确,只是随沙丘而异。比如摩洛哥沙丘的鸣响频率为103赫兹,对应的音高是升G2;而在阿曼,鸣沙的频率为66赫兹,对应的音高是C2⋯⋯

这说明沙子的滑动能使整个沙丘进入同步移动状态。因为只有沙丘确定节奏的流动才能使空气的振动如此规则,而不是大量不同频率混杂在一起的噪音一片。

但这些沙粒是如何同步运动的呢?怎样才能从物质的无序运动中生成和谐之音?100多年过去,当初的难题依旧悬而未解。虽然颗粒介质物理学已成长为一门独立学科,指导着从药剂粉末处理到谷物加工或者水泥、玻璃搅拌等诸多工业操作,但在鸣沙问题上,它没能取得丝毫进展。

“所有人都认可声响是流沙发出的,它们的音频固定,振动的沙子就如同一台扩音器。这是基本共识。但接下来的部分,每个人都各执一词。”布鲁诺·安德烈奥蒂概括道。

现在的两种理论就是这种情况,双方都认为只有自己的答案才是正确的。在布鲁诺·安德烈奥蒂看来,两层沙粒因相互摩擦而产生声波,沙丘歌唱的奥秘就暗藏在这些声波里;而西蒙·达瓜-博伊则主张沙粒的运动才是鸣沙的关键:“这一机制的核心便是沙粒之间的摩擦。”

西蒙·达瓜-博伊在论文中描述了整个过程:表层沙粒因重力作用开始滑动,使得下层起支撑作用的沙“柱”逐渐倾翻、垮塌,表层沙粒于是下陷,直至新的沙“柱”形成,重新支撑住表层流沙。“这为沙粒从高处往低处周期运动创造了条件。”他总结道,“运动周期与沙粒的大小有关,它们带动空气运动,从而发出单一频率的声响。我们在实验中完美证实了其中关联。”


难分伯仲的两种模型

布鲁诺·安德烈奥蒂提出的则是一种全声学机制:“无需考虑那些沙粒,只需将环境介质几何化,像研究地震波那样研究声波波动就可以了。”他介绍说,利用两块固体—— 一块处于运动状态代表流沙,另一块固定,代表沙丘——进行的模拟表明,在两者界面处,声波会出现自发增益。

“最初,这只是个理论观点,根据有关地震的研究推导而来。”布鲁诺·安德烈奥蒂解释道,“但在2010年的一次考察中,我们发现的确能在沙丘中观察到这一现象。”

两种答案,也就等于说没有答案。因为这两种模型都无法预言可测结果,所以无从比较,竞争仅止于互相挑错。

“波动模型无法用分析法推导出声波的频率。”西蒙·达瓜-博伊指出。“我通过数字模拟测试了粒子模型,发现其结果与预估值相差六个数量级!”布鲁诺·安德烈奥蒂不依不饶。而他的论据立刻引来了西蒙·达瓜-博伊的反驳:数字模拟本身即缺陷累累⋯⋯

为何这场争论不能像上一次有关光的争论那般收尾呢?现在所有的微观物理学家都同意,根据具体情况,在关于光的两种相互对立的模型中做出选择,难道颗粒介质物理学家就做不到吗?

然而别忘了,光并非无缘无故拥有波粒二象性的。詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)在19世纪末创造了描绘能量场在空间中传播的方程式,之后,这些方程式又在量子物理层面得到拓展,波粒二象性的提出才有了可能⋯⋯“

2015年3月2日,来自École polytechnique fédérale de Lausanne的研究者们发表了他们的新发现。研究者们得以显现驻波的外观,而驻波体现了光的波动性。实验在显现光的波动性的同时,也显示了其粒子性。

但在颗粒介质领域,我们的工具很少,因为我们没有场的说法。”布鲁诺·安德烈奥蒂表示遗憾。“甚至连理论体系也没有。”西蒙·达瓜-博伊补充道,“我们只能借用固体力学和流体动力学法则,但又不能确定这些法则是否符合现实情况。”

颗粒介质物理学完全就是一个悲剧:它卡在固态物质和液态漩涡当中,没有自己的一席之地⋯⋯这也解释了物理学研究为何如此重视鸣沙现象,将其当作重要课题。

“沙子是怎样流动的?为什么它有时如同液体有时又如同固体?这些问题都是当下研究的热点,其意义可不仅仅是为了让农副产品加工业的管道保持畅通。”布鲁诺·安德烈奥蒂介绍道,“比如我们认为,弄明白沙子的动力学,还将有助于了解癌症细胞是如何扩散的。”

沙子是波还是粒子?问题虽小,但却根本,答案或许能成为将来一连串新发现的基石。

原标题:“沙是粒子还是波”

来源:新发现sciencevie

编辑:Major Tom


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