鳴沙山唱歌的秘密：為何有的沙丘是歌唱家，有的卻是跑調(diào)王？

甘肅敦煌鳴沙山。圖片來(lái)源：景區(qū)官網(wǎng)（圖片來(lái)源：鳴沙山景區(qū)官網(wǎng)）

如果你去過(guò)甘肅敦煌，一定對(duì)那里神奇的“鳴沙山”印象深刻。千百年來(lái)，這片金黃的沙海吸引著無(wú)數(shù)游人，不僅因?yàn)閴邀惖拇竽L(fēng)光，更因?yàn)槟莻髡f(shuō)中“沙嶺晴鳴”的奇異現(xiàn)象。

其實(shí)，這種會(huì)“唱歌”的沙丘并非敦煌獨(dú)有，它們分布在全球少數(shù)幾個(gè)特殊的區(qū)域。幾個(gè)世紀(jì)前，馬可·波羅就在絲綢之路的旅途中記錄下了這令人毛骨悚然的嗡嗡聲；達(dá)爾文也在他的環(huán)球考察中，提到智利人將這種發(fā)出咆哮聲的沙山稱(chēng)為“怒吼者”。

大利亞昆士蘭州黃金海岸會(huì)"唱歌"的沙子，這是他們?cè)陲@微鏡下的樣子。圖片來(lái)源：維基百科（圖片來(lái)源：維基百科）

沙子為何會(huì)唱歌

你可能會(huì)好奇，普普通通的沙子，怎么能發(fā)出像飛機(jī)引擎或是鐘鳴一樣的巨響？

這種聲音并不是高亢的尖叫，而是一種深沉、持續(xù)的轟鳴，聽(tīng)起來(lái)就像是大提琴音域下半部分的渾厚低音。要想聽(tīng)這場(chǎng)沙漠音樂(lè)會(huì)，通常需要一點(diǎn)“外力”——比如風(fēng)吹動(dòng)沙子形成沙崩，或者滑沙者從山頂飛馳而下。

科學(xué)家們?cè)?jīng)以為，這種聲音是整座沙丘深層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在發(fā)生共振。但2009年的一項(xiàng)研究推翻了這個(gè)想法：秘密其實(shí)就藏在表層那些正在流動(dòng)的沙流里。

該研究認(rèn)為，這是一種神奇的“同步化”現(xiàn)象。當(dāng)成千上萬(wàn)顆沙粒順著斜坡滾落時(shí)，它們不僅僅是在互相摩擦，而是像訓(xùn)練有素的士兵一樣，達(dá)成了某種默契，開(kāi)始“步調(diào)一致”地振動(dòng)。

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的斜坡上對(duì)沙粒唱歌的原因進(jìn)行研究。圖片來(lái)源：法國(guó)巴黎狄德羅大學(xué)

一顆沙粒的振動(dòng)微不足道，但當(dāng)數(shù)百萬(wàn)顆沙粒同時(shí)以同樣的頻率振動(dòng)時(shí)，它們就會(huì)共同推動(dòng)空氣。這時(shí)，流動(dòng)的沙層就變成了一個(gè)巨大的揚(yáng)聲器膜片，將微小的振動(dòng)放大成震撼的轟鳴聲。甚至還有理論物理學(xué)家認(rèn)為，流動(dòng)的沙子會(huì)與下方靜止的沙層產(chǎn)生共振，進(jìn)一步放大了這種聲響。

同是沙丘，為何“歌喉”天差地別？

雖然沙丘發(fā)聲的物理機(jī)制都是沙粒共振，但就像人類(lèi)歌手中既有天籟之音也有“跑調(diào)王”一樣，全球各地的沙丘唱起歌來(lái)也是風(fēng)格迥異。有的沙丘音色純凈，有的卻嘈雜不堪。

摩洛哥西南部的鳴沙山。圖片來(lái)源：法國(guó)巴黎狄德羅大學(xué)

這種巨大的反差在兩座著名的沙丘上表現(xiàn)得尤為淋漓盡致。位于摩洛哥西南部的一座沙丘，簡(jiǎn)直是一位受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的“男低音”。無(wú)論何時(shí)何地，它總是穩(wěn)定地唱著105赫茲的調(diào)子——大概是比中央C低兩個(gè)八度的升G音，音色純凈、深沉而穩(wěn)定。

而遠(yuǎn)在阿曼沿海小鎮(zhèn)的另一座沙丘，畫(huà)風(fēng)就完全不同了。它活像個(gè)在KTV里喝多了的“麥霸”，雖然嗓門(mén)很大，但音調(diào)極其混亂。它能同時(shí)爆發(fā)出一股從90到150赫茲的嘈雜聲浪，一口氣橫跨了九個(gè)音階，簡(jiǎn)直是一場(chǎng)聽(tīng)覺(jué)上的“大亂燉”。

阿曼沿海小鎮(zhèn)會(huì)“歌唱”的沙丘。圖片來(lái)源：法國(guó)巴黎狄德羅大學(xué)

這兩位“歌手”天差地別的表現(xiàn)，引起了科學(xué)家們的濃厚興趣。為了解開(kāi)謎題，法國(guó)巴黎狄德羅大學(xué)的物理學(xué)家西蒙及其團(tuán)隊(duì)帶著麥克風(fēng)和精密儀器深入沙漠。

他們想知道，為什么同一個(gè)地球上的沙丘，唱歌水平差距這么大？究竟是什么決定了沙丘是成為優(yōu)雅的歌唱家，還是淪為跑調(diào)的噪音制造者？

秘密藏在“身材管理”里

物理學(xué)家們把這兩種沙子帶回實(shí)驗(yàn)室，放在顯微鏡下一看，破案了。

原來(lái)，摩洛哥那邊的沙粒都是“身材管理大師”，大小非常均勻，直徑都在150到170微米之間。而阿曼那邊的沙粒則是一群“參差不齊”的家伙，個(gè)頭從150到310微米不等，有大有小。

為了驗(yàn)證猜想，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里做了一次“篩選”。他們先是原封不動(dòng)地讓阿曼的混合沙子滑下斜坡，錄下的聲音果然是嘈雜的噪音。接著，他們用篩子精心篩選，只留下一批大小均勻（200到250微米）的阿曼沙粒，再次讓它們滑下。

有意思的事情發(fā)生了：這群經(jīng)過(guò)篩選、個(gè)頭統(tǒng)一的沙粒，竟然不再“跑調(diào)”，而是唱出了清晰、純凈的單音！

澳大利亞昆士蘭州黃金海岸會(huì)"唱歌"的沙子，這是他們?cè)陲@微鏡下的樣子。圖片來(lái)源：維基百科

整齊劃一的物理合唱

這下道理講通了：沙粒的大小決定了歌聲的純度。

當(dāng)沙粒大小一致時(shí)，它們?cè)诨溥^(guò)程中會(huì)以幾乎相同的速度運(yùn)動(dòng)，這讓它們能夠整齊劃一地振動(dòng)。這就像是訓(xùn)練有素的儀仗隊(duì)，步調(diào)一致，發(fā)出的聲音自然清晰洪亮。而那些大小混雜的沙粒，滑落速度各不相同，就像鬧市里亂跑的人群，發(fā)出的只能是嘈雜的喧鬧聲。

科學(xué)家認(rèn)為，這些成千上萬(wàn)顆沙粒在滑落時(shí)，發(fā)生了一種神奇的“同步化”現(xiàn)象。它們一起振動(dòng)，共同推動(dòng)空氣，將微小的摩擦聲放大成震撼的轟鳴聲 。

雖然科學(xué)家們還在繼續(xù)研究這些瘋狂滾落的沙粒究竟是如何達(dá)成“同步協(xié)議”的，但至少我們現(xiàn)在知道了鳴沙山的選曲秘密。

撰稿/劉允

參考資料：
[1]. phys.org → Why 'singing' sand dunes hum certain notes
[2]. 維基百科(wikipedia) → Singing sand
[3]. phys.org → Scientists Investigate Cause of 'Singing Dunes'