沙子為什么會“唱歌”

俞靜

多個世紀以來，一些沙漠旅人稱他們聽見沙丘在“唱歌”。事實上，地球上的許多沙漠、島嶼甚至海灘，都被發現有會“唱歌”的沙子。人們在領略大自然的奇妙的同時也感到困惑不解：沙子為什么會“唱歌”？為了解開這個謎團，一百多年來，科學家們根據實地勘察和實驗提出了很多理論，但至今未能取得一致的意見。

肉桂色的沙子發出奇怪的聲音，有時低沉而有節奏，像催人入睡的催眠曲或信徒們的誦經聲，有時又像西藏喇嘛法器對撞發出的沉悶的聲音。這些聲音并非來自沙漠里的沙丘，而是來自法國物理學家史蒂芬·多瓦迪的位于巴黎第七大學的實驗室。

多瓦迪一直從事一些特殊領域的研究，現在他的具體研究對象是會“唱歌”的沙子，即科學界所稱的“鳴沙”，這是最浪漫同時也最令人費解的自然現象之一。多瓦迪關于沙子會“唱歌”的文章中充滿了詩意和熱情，只要你打開他的網頁，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”納入藝術和音樂領域的探討。

沙漠旅人早就知道，沙漠中的流沙會發出各種怪異的聲音——哨聲、笛聲、豎琴聲、提琴聲、雷鳴聲、擂鼓聲、發動機的轟鳴聲，有時低沉有力，有時尖銳響亮。早在1500年前，中東地區的一些著述中就記載過“沙子會唱歌”的奇特現象。公元1200年，中國的古代文人也描述過這種現象。“二戰”期間，英國軍人兼科學家拉爾夫·拜格諾在他1941年出版的一本書中寫道：“會唱歌的沙丘，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>

實驗室里的“沙漠”

在多瓦迪的實驗室里，幾立方厘米大小的“沙灘”發出的是一種令人愉悅的低頻背景聲音，而在真正的沙漠里，沙丘發出的聲音可高達120分貝，這已達到了人耳的痛閾，會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出的聲音比作“不祥的戰鼓聲”。

那么，沙子為什么會“唱歌”呢？一種理論認為，沙漠里的高大沙丘山脊不斷形成和倒塌，倒塌時會引發小型的沙子“雪崩”，無數沙粒在崩塌時互相摩擦，于是就發出了奇妙的聲音。多瓦迪進一步指出，不同的沙子在不同的條件下會發出不同的聲音。多瓦迪的實驗表明，沙子是否“唱歌”，起至關重要作用的是沙子運動的同步性。簡單地說，必須有足夠多的沙粒以相同的速率流動，才能在振蕩時形成并放大聲音。

在沙子運動同步性的背后還有多種因素，如風速和濕度等，“沙子唱歌”多發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120赫茲。

多瓦迪在自己的實驗室里復制了一個1∶1000的小型沙漠，這座人造沙丘由微小的陶瓷球構成，而推動沙丘移動的力量不是風，而是水（多瓦迪還希望能破解千百年來沙丘不停移動的奧秘）。

對大多數人來說，沙子就是沙子，對于其他很多領域的科學家來說，沙子就是硅土或硅石，而對于身為物理學家的多瓦迪來說，沙子是一種流動著的物質，它能夠同時以有序與無序的方式運動，在漫長的歲月里，它的行為變得越來越復雜，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動，我們正在尋找沙子隨著時間的流逝而日漸復雜的機制?！?/p>

沙漠里的探秘行動

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，以加州理工學院機械工程學教授麥蘭尼·亨特為首的一隊美國科學家正準備從光滑的沙丘頂上滑溜下去。科學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，目的是進行一項科學實驗，以解開長期以來一直困擾著包括多瓦迪在內的物理學家和普通大眾的一個自然現象：為什么一些沙丘會“唱歌”？

每當炎熱的夏季來臨，科學家們就集中到了這里。他們幾乎每天天不亮就從駐地出發，驅車三個半小時抵達沙漠，然后拖著沉重的設備攀上那些大沙丘的頂部，在那里工作4～5小時，直到中午才返回涼爽的實驗室里，對一天的調查結果進行分析和研究。沙漠里的工作條件極為惡劣，但通過實驗讓沙丘“唱歌”的想法誘惑并激勵著科學家們堅持下去。

沙子“唱歌”之謎不僅困惑著物理學家們，也是近十年來世界頂尖級科學家在國際物理學期刊上爭執不休的課題，沙子“唱歌”的持久的科學魅力源自于這樣一個事實：科學家們很難確定他們的實驗觀察對象，也就是說，他們很難確定究竟哪些沙丘會“唱歌”——并不是所有沙漠的沙丘都會“唱歌”，而且那些會“唱歌”的沙丘也不會一年到頭都“唱歌”?？茖W家們一致認同的是，沙子的“歌聲”通常只來自沙丘的滑動面（背風面），而在較低淺的迎風面從來都不會發聲。更重要的是，沙丘“唱歌”只發生在炎熱干燥的季節，因為那時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”？

加州理工學院的研究團隊使用了一系列技術，包括地震折射勘探和探地雷達技術?？茖W家們的研究方法是：利用人從沙丘頂上滑下時所采取的不同的滑動和停止動作，來調整沙子發出的聲音的波長和音量。現在，通過大量的實踐，科學家們已經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巨大的樂器。

探索與理論碰撞

關于沙子為什么會“唱歌”最早的科學解釋，來自前面提到過的“二戰”期間的軍官拉爾夫·拜格諾，此人在“二戰”期間是英國陸軍“遠程沙漠小組”的創始人和首任指揮官，他在執行任務時發現了會“唱歌”的沙丘并產生了研究興趣。他開發了一個簡單的數學模型來描述這一現象。他認為，沙子發出的聲音的頻率，與沙丘崩塌時沙粒向下移動的速度成正比，與沙粒的大小成反比。今天的一些科學家相信拜格諾的數學模型在一定程度上是正確的，但他們并沒有完全接受它，因為利用這一數學模式算出的聲音頻率遠高于現場調查記錄。

20世紀下半葉以后，為破解沙子“唱歌”之謎，人們進行了很多現場勘察，也提出了很多新的理論，其中包括法國科學家布魯諾·安德烈奧蒂和多瓦迪分別于2004年和2006年發表的兩種頗有說服力的理論。

2001年，作為巴黎高等師范學校的同事，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，一場意外引發的沙丘“雪崩”導致沙丘發出了傳說中的“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”機制的認識出現了分歧。

兩位科學家的分歧主要在于一個雖小卻很重要的細節：雖然他們都認為沙丘的聲音來自“雪崩”產生的波，這些波通過摩擦將聲音放大，但聲音的放大源是什么，兩位科學家的看法不同。多瓦迪力圖用他的實驗表明，聲音來自滑動沙層內部產生的共振，沙粒以相同的頻率彼此碰撞，產生的駐波反過來與沙粒同步，正是這種同步運動使一個個小沙粒在運動中“異口同聲”地發出了人耳可聽到的聲音。而安德烈奧蒂則認為，沙粒之間的碰撞產生了滑動沙層外部的震波，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，有選擇性地放大了某些頻率的聲音。

2007年，加州理工學院的麥蘭尼·亨特等人根據他們的現場實驗提出了一個完全不同的機制。他們認為，沙子發出的聲音取決于整個沙丘的特點，沙丘“唱歌”不僅僅取決于沙子本身，還取決于沙丘的內部結構。也就是說，沙丘發出的聲音來自沙丘內部，而不是像安德烈奧蒂和多瓦迪認為的那樣來自沙層表面。

新的理論重新引發了人們關于沙子為什么會“唱歌”的爭論?？梢灶A見，隱藏著太多秘密的會“唱歌”的沙子將吸引更多科學家的注意，而對于這一大自然未解之謎，人們的爭論還將持續下去。

“沙丘之歌”

◆世界上已發現的會“唱歌”的沙丘有數十座，最著名的有中國敦煌的鳴沙山、非洲納米比沙漠中的會發出轟鳴聲的沙丘、英國威爾士阿伯達倫附近的被稱為“呼嘯金沙”的沙丘、美國夏威夷群島上的會發出類似“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，干燥的沙子也會發出吱吱聲、口哨聲或吠叫聲等。在不列顛群島上有多處會“唱歌”的海灘，北美大西洋沿岸也有許多會“唱歌”的海灘，甚至在一些淡水湖也有會“唱歌”的湖灘。

◆沙丘發出聲音總是與沙子的“雪崩”式運動相伴隨。風掠過沙丘脊部，附近有人或動物行走，都可能引發沙子“雪崩”。

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

◆有科學家認為，會“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“唱歌”的沙子。

◆有許多不同理論試圖解釋沙丘為什么會“唱歌”：沙丘的干燥層-潮濕層-干燥層結構形成天然共鳴箱，當“雪崩”的沙粒沿斜坡傾瀉而下時，表面的干燥沙粒的振動波傳到內部的潮濕層，引發共鳴；沙粒之間的摩擦，以及沙粒之間的空氣的運動，產生振動發聲；石英質地的沙粒具有特殊的壓電性質，受擠壓后會帶電，并在電的作用下作往復伸縮振動，等等。

◆水也會對“唱歌”的沙丘產生影響。潮濕的沙子通常都保持沉默，因為沙粒都黏在了一起，不會滑落，而少量的水則可以提高沙丘發出聲音的音調。最常見的會“唱歌”的海灘通常是在漲潮線以上的干海灘。