沙子为什么会“唱歌”

俞静

多个世纪以来，一些沙漠旅人称他们听见沙丘在“唱歌”。事实上，地球上的许多沙漠、岛屿甚至海滩，都被发现有会“唱歌”的沙子。人们在领略大自然的奇妙的同时也感到困惑不解：沙子为什么会“唱歌”？为了解开这个谜团，一百多年来，科学家们根据实地勘察和实验提出了很多理论，但至今未能取得一致的意见。

肉桂色的沙子发出奇怪的声音，有时低沉而有节奏，像催人入睡的催眠曲或信徒们的诵经声，有时又像西藏喇嘛法器对撞发出的沉闷的声音。这些声音并非来自沙漠里的沙丘，而是来自法国物理学家史蒂芬·多瓦迪的位于巴黎第七大学的实验室。

多瓦迪一直从事一些特殊领域的研究，现在他的具体研究对象是会“唱歌”的沙子，即科学界所称的“鸣沙”，这是最浪漫同时也最令人费解的自然现象之一。多瓦迪关于沙子会“唱歌”的文章中充满了诗意和热情，只要你打开他的网页，最先映入你眼帘的将是英国浪漫主义诗人威廉·华兹华斯的诗句，以及如何将“沙丘之歌”纳入艺术和音乐领域的探讨。

沙漠旅人早就知道，沙漠中的流沙会发出各种怪异的声音——哨声、笛声、竖琴声、提琴声、雷鸣声、擂鼓声、发动机的轰鸣声，有时低沉有力，有时尖锐响亮。早在1500年前，中东地区的一些著述中就记载过“沙子会唱歌”的奇特现象。公元1200年，中国的古代文人也描述过这种现象。“二战”期间，英国军人兼科学家拉尔夫·拜格诺在他1941年出版的一本书中写道：“会唱歌的沙丘，就像海妖的歌声，魅惑着沙漠里的旅行者，令他们走向无水的绝境，地下的丧钟来自被沙漠吞噬的寺院。”

实验室里的“沙漠”

在多瓦迪的实验室里，几立方厘米大小的“沙滩”发出的是一种令人愉悦的低频背景声音，而在真正的沙漠里，沙丘发出的声音可高达120分贝，这已达到了人耳的痛阈，会使人的耳朵感到疼痛。所以，著名国际旅行家马可·波罗曾将沙漠里沙丘发出的声音比作“不祥的战鼓声”。

那么，沙子为什么会“唱歌”呢？一种理论认为，沙漠里的高大沙丘山脊不断形成和倒塌，倒塌时会引发小型的沙子“雪崩”，无数沙粒在崩塌时互相摩擦，于是就发出了奇妙的声音。多瓦迪进一步指出，不同的沙子在不同的条件下会发出不同的声音。多瓦迪的实验表明，沙子是否“唱歌”，起至关重要作用的是沙子运动的同步性。简单地说，必须有足够多的沙粒以相同的速率流动，才能在振荡时形成并放大声音。

在沙子运动同步性的背后还有多种因素，如风速和湿度等，“沙子唱歌”多发生在温暖干燥的气候条件下，而沙粒的大小以及沙粒表面的平滑度也是重要因素，像表面光泽度极好的黏土质粉砂或方解石晶粒就有可能“唱歌”。沙子的“歌声”频率范围很广，低至64赫兹，高达120赫兹。

多瓦迪在自己的实验室里复制了一个1∶1000的小型沙漠，这座人造沙丘由微小的陶瓷球构成，而推动沙丘移动的力量不是风，而是水（多瓦迪还希望能破解千百年来沙丘不停移动的奥秘）。

对大多数人来说，沙子就是沙子，对于其他很多领域的科学家来说，沙子就是硅土或硅石，而对于身为物理学家的多瓦迪来说，沙子是一种流动着的物质，它能够同时以有序与无序的方式运动，在漫长的岁月里，它的行为变得越来越复杂，越来越神秘。他说，“我们正在做的，就是努力了解沙子的这种有序与无序的运动，我们正在寻找沙子随着时间的流逝而日渐复杂的机制。”

沙漠里的探秘行动

在美国加利福尼亚州东部的尤利卡谷中一座很特别的沙丘上，以加州理工学院机械工程学教授麦兰尼·亨特为首的一队美国科学家正准备从光滑的沙丘顶上滑溜下去。科学家们可不是在玩什么滑沙游戏，他们承受着沙漠烈日的炙烤，目的是进行一项科学实验，以解开长期以来一直困扰着包括多瓦迪在内的物理学家和普通大众的一个自然现象：为什么一些沙丘会“唱歌”？

每当炎热的夏季来临，科学家们就集中到了这里。他们几乎每天天不亮就从驻地出发，驱车三个半小时抵达沙漠，然后拖着沉重的设备攀上那些大沙丘的顶部，在那里工作4～5小时，直到中午才返回凉爽的实验室里，对一天的调查结果进行分析和研究。沙漠里的工作条件极为恶劣，但通过实验让沙丘“唱歌”的想法诱惑并激励着科学家们坚持下去。

沙子“唱歌”之谜不仅困惑着物理学家们，也是近十年来世界顶尖级科学家在国际物理学期刊上争执不休的课题，沙子“唱歌”的持久的科学魅力源自于这样一个事实：科学家们很难确定他们的实验观察对象，也就是说，他们很难确定究竟哪些沙丘会“唱歌”——并不是所有沙漠的沙丘都会“唱歌”，而且那些会“唱歌”的沙丘也不会一年到头都“唱歌”。科学家们一致认同的是，沙子的“歌声”通常只来自沙丘的滑动面（背风面），而在较低浅的迎风面从来都不会发声。更重要的是，沙丘“唱歌”只发生在炎热干燥的季节，因为那时的沙粒更为洁净光滑。尽管有这些线索，但最根本的问题仍然没有得到解决：到底是什么令沙子“唱歌”？

加州理工学院的研究团队使用了一系列技术，包括地震折射勘探和探地雷达技术。科学家们的研究方法是：利用人从沙丘顶上滑下时所采取的不同的滑动和停止动作，来调整沙子发出的声音的波长和音量。现在，通过大量的实践，科学家们已经可以利用他们的身体在沙丘上“弹奏”出各种声音，沙丘对于他们来说就好像是一个巨大的乐器。

探索与理论碰撞

关于沙子为什么会“唱歌”最早的科学解释，来自前面提到过的“二战”期间的军官拉尔夫·拜格诺，此人在“二战”期间是英国陆军“远程沙漠小组”的创始人和首任指挥官，他在执行任务时发现了会“唱歌”的沙丘并产生了研究兴趣。他开发了一个简单的数学模型来描述这一现象。他认为，沙子发出的声音的频率，与沙丘崩塌时沙粒向下移动的速度成正比，与沙粒的大小成反比。今天的一些科学家相信拜格诺的数学模型在一定程度上是正确的，但他们并没有完全接受它，因为利用这一数学模式算出的声音频率远高于现场调查记录。

20世纪下半叶以后，为破解沙子“唱歌”之谜，人们进行了很多现场勘察，也提出了很多新的理论，其中包括法国科学家布鲁诺·安德烈奥蒂和多瓦迪分别于2004年和2006年发表的两种颇有说服力的理论。

2001年，作为巴黎高等师范学校的同事，安德烈奥蒂和多瓦迪一起去摩洛哥研究新月形沙丘。在那里，一场意外引发的沙丘“雪崩”导致沙丘发出了传说中的“歌声”。被这种大自然的奇景深深吸引，他们开始研究沙丘“唱歌”之谜。但不久，他们对沙丘“唱歌”机制的认识出现了分歧。

两位科学家的分歧主要在于一个虽小却很重要的细节：虽然他们都认为沙丘的声音来自“雪崩”产生的波，这些波通过摩擦将声音放大，但声音的放大源是什么，两位科学家的看法不同。多瓦迪力图用他的实验表明，声音来自滑动沙层内部产生的共振，沙粒以相同的频率彼此碰撞，产生的驻波反过来与沙粒同步，正是这种同步运动使一个个小沙粒在运动中“异口同声”地发出了人耳可听到的声音。而安德烈奥蒂则认为，沙粒之间的碰撞产生了滑动沙层外部的震波，这些波被沙层崩塌表面反射，沙层崩塌形成了一定频率的波导，有选择性地放大了某些频率的声音。

2007年，加州理工学院的麦兰尼·亨特等人根据他们的现场实验提出了一个完全不同的机制。他们认为，沙子发出的声音取决于整个沙丘的特点，沙丘“唱歌”不仅仅取决于沙子本身，还取决于沙丘的内部结构。也就是说，沙丘发出的声音来自沙丘内部，而不是像安德烈奥蒂和多瓦迪认为的那样来自沙层表面。

新的理论重新引发了人们关于沙子为什么会“唱歌”的争论。可以预见，隐藏着太多秘密的会“唱歌”的沙子将吸引更多科学家的注意，而对于这一大自然未解之谜，人们的争论还将持续下去。

“沙丘之歌”

◆世界上已发现的会“唱歌”的沙丘有数十座，最著名的有中国敦煌的鸣沙山、非洲纳米比沙漠中的会发出轰鸣声的沙丘、英国威尔士阿伯达伦附近的被称为“呼啸金沙”的沙丘、美国夏威夷群岛上的会发出类似“汪汪”狗吠声的大沙丘等。

◆在一些海滩上，如果人们用力拖着脚步走，干燥的沙子也会发出吱吱声、口哨声或吠叫声等。在不列颠群岛上有多处会“唱歌”的海滩，北美大西洋沿岸也有许多会“唱歌”的海滩，甚至在一些淡水湖也有会“唱歌”的湖滩。

◆沙丘发出声音总是与沙子的“雪崩”式运动相伴随。风掠过沙丘脊部，附近有人或动物行走，都可能引发沙子“雪崩”。

◆不同大小的沙粒发出不同频率的声音。中等大小的沙粒可发出各种声音，从微弱的吱吱声到高亢的声音，极细小的沙粒只能发出非常微弱的吠声。沙子发出的声音可持续好几分钟，其频率通常在60～120赫兹之间。

◆有科学家认为，会“唱歌”的沙丘必须具备以下条件：沙粒圆润，直径在0.1～0.5毫米之间；沙子含硅石或硅土成分；沙子需要拥有一定的湿度。具有高度完美球形的石英砂沙粒最有可能成为会“唱歌”的沙子。

◆有许多不同理论试图解释沙丘为什么会“唱歌”：沙丘的干燥层-潮湿层-干燥层结构形成天然共鸣箱，当“雪崩”的沙粒沿斜坡倾泻而下时，表面的干燥沙粒的振动波传到内部的潮湿层，引发共鸣；沙粒之间的摩擦，以及沙粒之间的空气的运动，产生振动发声；石英质地的沙粒具有特殊的压电性质，受挤压后会带电，并在电的作用下作往复伸缩振动，等等。

◆水也会对“唱歌”的沙丘产生影响。潮湿的沙子通常都保持沉默，因为沙粒都黏在了一起，不会滑落，而少量的水则可以提高沙丘发出声音的音调。最常见的会“唱歌”的海滩通常是在涨潮线以上的干海滩。