本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
最近的 Twitter 交流显示，在少数人文专业出身的科学作家中，也有人共同爱好经典推理小说。他们原打算在各自的博客上共同发布一些精彩的文学分析（“《巴士曼的蜜月》的书信体开头……”），但后来意识到读者无疑会对科学博客圈中书信体开头的过度使用感到厌烦。因此，他们决定转而撰写关于经典推理小说作家的科学。该系列中其他博文的链接，作者包括 黛博拉·布鲁姆 和 安·芬克拜纳 —— 加上 我在探索新闻中关于简·兰顿的 《黑暗楠塔基特岛午后》 的文章，以及这里在鸡尾酒派对物理学博客上关于 多萝西·塞耶斯的 《九个裁缝》 的文章 —— 可以在本文末尾找到。
在约瑟芬·铁伊的《歌唱沙》中，苏格兰场督察艾伦·格兰特在前往苏格兰度假的火车上，遇到一位头发蓬乱的黑发、眉毛“桀骜不驯”的年轻男子。当他们到达车站时，发现这位年轻人已经死亡，格兰特意外地拿走了年轻人的报纸。当时他并没有在意，直到他注意到报纸的空白处潦草地写着一首未完成的诗
“会说话的野兽，静止的河流，
行走的石头，
歌唱的沙子……”
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
虽然这些诗句并非特别令人印象深刻，但格兰特发现自己深受其困扰，尤其是其中关于歌唱沙的描述。“难道真的有歌唱沙吗？这听起来有点耳熟。歌唱沙。当你在上面行走时，它们会发出叫声。”这首诗开启了格兰特的任务，他要揭开这位年轻人的身份，以及是谁可能想要他的命。
格兰特（和铁伊）并非第一个从歌唱沙中获得灵感的人。《歌唱沙》也是经典 1960 年代《神秘博士》剧集的名字，在该剧集中，时间旅行者 TARDIS 船员迫降在戈壁沙漠的中心，并恰好遇到了著名的探险家/商人马可·波罗及其前往忽必烈汗宫殿的商队。在随后的旅程中的某个时刻，他们目睹了一种奇怪的沙漠现象：歌唱沙。
马可·波罗确实声称曾穿越戈壁沙漠，并说沙丘充满了“各种乐器的声音，以及鼓声和兵器碰撞声”。他的传奇冒险发生在 13 世纪，但关于歌唱或轰鸣（有时是吱吱作响）沙丘的记载可以追溯到 9 世纪的中国。根据一份古代手稿，人们过去常常在特殊的节日登上鸣沙山（现在被称为“歌唱山”），然后滑下沙子，发出滚雷般的声音。几个世纪后，查尔斯·达尔文在智利旅行时评论了歌唱沙。
这是一种相当罕见的现象。全世界只有大约 30 个沙丘具有音乐性——其余的沙丘显然都是音盲——尽管天文学家和地质学家怀疑火星上的沙丘也可能充满音乐的声音。民间传说将原因归咎于地下河流甚至精灵；马可·波罗则归咎于恶灵。（图片来源）
科学家们也对这种现象感到困惑。关于其成因，人们提出了许多假设，大多数都集中在认为它来自整个沙丘的振动。例如，一些人推测这种效应类似于小提琴弓在琴弦上移动产生音调的方式，沙沙声来自沙块在沙丘主体上粘滑滑动。另一种工具性的假设将这种效应比作长笛如何通过空心管中的共鸣空气产生纯音。
事实证明，这些假设都不正确：这种现象似乎与单个沙粒协同作用有关。你看，从物理学的角度来看，沙子是非常有趣的物质。它在技术上被称为颗粒材料，因为它既像液体又像固体：收集在桶中的干沙像流体一样倾泻，但它可以支撑放置在其顶部的岩石的重量，就像固体一样，即使岩石在技术上比沙子更致密。因此，沙子违背了所有那些描述物质各种相的简洁方程，从流动的“液体”到刚性的“固体”的转变发生得非常迅速。
就好像颗粒在流体形式中充当个体，但当需要团结时，能够突然团结在一起，实现一种奇怪的“人多力量大”效应。根据物理中心的人员所说
“颗粒材料形成所谓的‘集体’系统，因为颗粒的接触和相互摩擦在决定发生什么方面非常重要。例如，在一个沙堆中，每个颗粒只接触到少数其他颗粒，但这些‘短程’相互作用决定了整个沙堆会发生什么。从这个意义上说，沙堆可以作为例如细胞群落或经济中的工人的行为模型。”
以下是我们对颗粒材料正在发生的事情的了解。首先，重力拉动每个单独的颗粒。颗粒之间在相互作用时也会产生摩擦；摩擦力的大小取决于颗粒的大小、它们的组成以及它们是否悬浮在水中等。（事实上，上个月刚刚发表了一篇论文，关于描述颗粒材料的流体状流动的相同方程如何很好地描述当悬浮颗粒添加到混合物中时流体的粘度如何增加。）当然，任何时候颗粒都在移动和碰撞在一起，都会根据可靠的热力学定律，将机械能以热的形式损失掉。
所有这些因素导致了颗粒材料中常见的三种主要机制：（1）渗滤，其中小颗粒向下迁移到较大颗粒之间的底部；（2）对流，其中较大颗粒向上推向堆的顶部；以及（3）凝聚，这是一种在 2001 年 由利哈伊大学的丹尼尔·洪发现的筛选机制。
这些是群体动力学机制，它们结合起来产生了所谓的 巴西坚果效应：混合坚果容器中最大的坚果（巴西坚果）在运输过程中总是趋于上升到顶部的恼人趋势。不知何故，这些坚果似乎总是巴西坚果，而巴西坚果不是任何人最喜欢的。小坚果逐渐向下迁移，大坚果逐渐上升到顶部，尽管，正如 io9 指出的那样，所述坚果的密度，更不用说环境压力，也可能是一个因素
如果大颗粒的密度远小于周围的颗粒，它们就会上升到顶部并保持在那里。如果它们的密度远大于周围的颗粒——它们也会上升到顶部并保持在那里。那些密度与其它颗粒密度差异较小的颗粒往往会保持混合状态。如果颗粒处于真空中，所有这些密度依赖性都会停止。巴西坚果一生中采取的简单路线似乎不仅取决于其周围的坚果及其密度，还取决于气压。
雪崩！
几年前，麻省理工学院和克拉克大学的科学家们研究了旋转滚筒中的沙子，观察到沙子会堆积成堆，并达到陡峭的坡度，然后坍塌——一个较小的、实验室版本的雪崩。技术术语是自组织临界性，它适用于各种复杂的系统，包括 椋鸟的群飞模式。
还记得当我 写关于相变 并谈到临界点时吗？在临界点，材料的相从例如固体变为液体，就像冰融化一样。自组织临界性与之类似，但有一个非常重要的区别。在传统的临界系统中，如冰融化，相变是通过改变控制参数来实现的——通常是温度或压力。
然而，对于自组织临界性，临界点是在没有任何特定控制参数的情况下达到的。相反，驱动机制是构成系统的单个颗粒的复杂动力学，它们协同作用。而沙堆恰好是这种现象的典型现实世界示例。
例如，以沙漏为例。顶部部分的沙子通过通道倾泻而下，落到底部隔间，逐渐堆积成堆。随着沙堆的增长，会发生雪崩，将沙子从顶部带到底部。至少在模型系统中，沙堆的坡度变得与系统通过掉落沙子驱动的速率无关。这就是上图详述的（自组织）临界坡度。（图片来源。）
这里有一个我喜欢讲的故事，当人们问我什么时候意识到我终于、真正地、完全地成为一个科学怪人时。我当时乘坐班车从一个物理学会议返回酒店，在那里我听了一个关于颗粒介质物理学的记者招待会。我们经过一个建筑工地，那里的一台巨型机器正在将沙子倒入一个巨大的沙堆中。当我观看时，沙堆达到顶峰并“雪崩”，沙子重新分布成一个更矮的沙堆，底部更宽，并开始再次堆积到顶峰。我指着并对我座位旁的乘客惊呼：“看！自组织临界性！”
它就在我眼前，使记者招待会上看似晦涩的技术语言突然与我的日常生活息息相关。而且我并不孤单。我最近与一位专门研究流体动力学和颗粒介质的女物理学家聊天，她之所以进入这个领域，是因为她从小就对自己在海浪和沙丘中观察到的复杂图案着迷。“最终我意识到这对一个孩子来说是不正常的。但到那时我已经太喜欢它了，以至于不在乎了。”（图片来源。）
物理学家也无法精确预测雪崩。这部分是因为即使在一个小沙堆中也有大量的沙粒，每个沙粒都会同时与其几个直接相邻的沙粒相互作用——而这些邻居会从一个时刻转移到下一个时刻。即使是超级计算机也无法跟踪单个沙粒随时间的运动，因此颗粒介质中的流动物理学仍然是一个重要的研究领域。（在其他机构中，美国宇航局正在资助这方面的工作。）
所有这些与歌唱沙有什么关系呢？一个国际科学家团队——来自巴黎大学、巴黎 CNRS 实验室、哈佛大学和摩洛哥伊本·佐尔大学——在全球范围内进行了实地研究，并辅以受控实验室实验，并在 物理评论快报 上发表了他们的发现。他们发现声音来自 雪崩动力学 的滑动运动。（您可以在此处收听他们在中国、阿曼、摩洛哥和智利的沙丘中录制的绝妙声音。）
几年前，该团队在研究摩洛哥新月形沙丘的形成时，偶然发现了他们的见解。当他们爬上一处特别陡峭的沙丘时，他们引发了一场雪崩，发出了 100 分贝的歌唱声。他们发现，通过双腿张开滑下沙丘，他们可以重现这种声音。他们将录音带回法国的实验室，并设法在甜甜圈形的沙箱中复制了相同的声音。
具体而言，他们能够测量沙子和空气中的振动，从而检测到雪崩发出的表面波。根据首席研究员斯蒂芬·杜阿迪的说法，沙丘的表面似乎充当了一种扬声器，而表面波在空气中产生声音。波浪是由于单个颗粒之间的碰撞产生的——根据实验室测量，大约每秒 100 次——这会在特定频率下产生一种同步碰撞的反馈回路，瞧！沙丘开始发出沙哑的歌声。
碰巧的是，如果沙子被紧密地压实，它就无法在不扩大体积的情况下移动。杜阿迪认为，沙丘雪崩有助于压缩和解压缩单个沙粒之间的空气，这会导致歌唱声。事实上，颗粒本身也很独特：圆形，并涂有一层硅、铁和锰。
由于所有这些正在进行的研究，物理学家现在知道，要获得歌唱沙效应，必须满足某些条件。首先，沙粒必须是圆形的，并且尺寸合适（直径在 0.1 到 0.5 毫米之间）。沙粒必须含有二氧化硅，并且湿度也必须恰到好处。当所有这些因素结合在一起时，沙丘就会发出那些明显的“歌声”。我们甚至知道最常见的频率：450 赫兹。
沙堡
还有更多！建造沙堡这种轻松的夏季消遣也蕴含着一些有趣的物理学原理。每个人都知道沙子必须是湿的才能建造沙堡——只需足够湿润，就能使湿润的沙粒通过表面张力粘合在一起。（詹-吕克·皮康特已经进行了广泛的实验，发现最佳沙堡的完美比例是每八桶沙子配一桶水。）水在颗粒的接触点之间形成“液桥”，由此产生的张力在它们之间产生吸引力。
还记得在实验室里用沙堆做实验的物理学家吗？他们用干沙和湿沙都进行了实验，发现即使添加少量的水，也会使沙粒更有效地粘在一起，从而使沙堆可以达到更陡峭的角度，并且比干沙坍塌得不那么剧烈。就像海滩上的沙堡成团坍塌一样，实验中的一些“桥梁”保持完好无损。
如果您对这些基本原理有基本的了解，您就可以建造更稳定和更复杂的沙堡设计。如果您是克拉克大学的阿沙德·库德罗利，您可以利用颗粒介质的物理学原理来建造各种不寻常的细长结构。他和他的博士后朱利安·肖邦在物理评论快报上发表了一篇新论文，内容是关于他们通过精细的滴落方式建造所谓的“颗粒塔”的实验。
他们设置了一个干沙床（或在某些情况下，吸水纸），并将沙子和水的混合物缓慢地滴到表面上。通常，仅使用水滴时，水滴会在撞击时溅起、散开或弹跳。但在这种情况下，液体被表面吸收，导致沙粒在撞击时经历某种“速冻”。
这让库德罗利和肖邦有足够的控制力将水滴以各种复杂的形状堆叠在彼此的顶部，颗粒最终通过摩擦力和毛细作用力固定在原位。考虑到颗粒介质的控制在表面图案化等工业应用中有多么重要，这项工作最终可能会非常重要。（图片来源）
说到现实世界的应用，我们还有类似流沙的东西，它是细沙、粘土和盐水的混合物。静止时，它只不过是松散堆积的沙粒 resting 在水面上。但如果一些不幸的人掉入流沙并开始挣扎，这种运动就会改变这种微妙的平衡，将其变成浓稠的液体汤。
这意味着受害者会下沉得更深，此时水和沙子开始再次分离成富水和富沙层。湿沙沉积物变得致密堆积，困住受害者。幸运的是，人体平均密度约为每立方英尺 62 磅，远低于大多数流沙的每立方英尺 125 磅。因此，生存的诀窍显然是不要惊慌。相反，放松，保持静止，并伸展背部以增加表面积，然后只需等待您的腿弹出即可。
研究流沙可以深入了解地震期间地下湿土的移动，这种移动会导致建筑物沉入地下（土壤液化）。浸水的土壤由于地震的振动而“液化”。冲击波压缩土壤的速度快于水逸出的速度，从而提高压力，使水比沙子承受更多的负载。建筑物开始下沉。出于安全原因，显然科学家们希望更好地了解这一过程，或许可以开发更好的建筑物地基以防止液化。
伙计，你以为你了解一种物质，它是如此熟悉，你每天都看到它，但不知何故，它总是以意想不到或莫名其妙的行为让你感到惊讶。这就是一些物理学家对沙子和其他形式的颗粒材料的感受。因此，下次当您在海滩上建造沙堡，或经过建筑工地时，恰好沙堆达到自组织临界点，请花点时间欣赏一下数百万沙粒集合中蕴含的复杂性。
查看这些相关帖子!
神秘科学：致命晚餐的说明（黛博拉·布鲁姆论多萝西·塞耶斯的《强烈的毒药》）
神秘科学：注意你掉落的地方（安·芬克拜纳论约瑟芬·铁伊的《爱与明智》）
神秘科学：丧钟为谁而鸣（詹妮弗·奥莱特论多萝西·塞耶斯的《九个裁缝》）
神秘科学：心之全蚀（詹妮弗·奥莱特在探索新闻，论简·兰顿的《黑暗楠塔基特岛午后》）
注意：这是 2006 年在旧博客上发表的早期文章的更新版本。