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。圖片來源：景區(qū)官網(wǎng)（圖片來源：鳴沙山景區(qū)官網(wǎng)）

如果你去過甘肅敦煌，一定對那里神奇的“鳴沙山”印象深刻。千百年來，這片金黃的沙海吸引著無數(shù)游人，不僅因為壯麗的大漠風光，更因為那傳說中“沙嶺晴鳴”的奇異現(xiàn)象。

其實，這種會“唱歌”的沙丘并非敦煌獨有，它們分布在全球少數(shù)幾個特殊的區(qū)域。幾個世紀前，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)出咆哮聲的沙山稱為“怒吼者”。

大利亞昆士蘭州黃金海岸會"唱歌"的沙子，這是他們在顯微鏡下的樣子。圖片來源：維基百科（圖片來源：維基百科）

沙子為何會唱歌

你可能會好奇，普普通通的沙子，怎么能發(fā)出像飛機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，聽起來就像是大提琴音域下半部分的渾厚低音。要想聽這場沙漠音樂會，通常需要一點“外力”——比如風吹動沙子形成沙崩，或者滑沙者從山頂飛馳而下。

科學家們曾經(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年的一項研究推翻了這個想法：秘密其實就藏在表層那些正在流動的沙流里。

該研究認為，這是一種神奇的“同步化”現(xiàn)象。當成千上萬顆沙粒順著斜坡滾落時，它們不僅僅是在互相摩擦，而是像訓練有素的士兵一樣，達成了某種默契，開始“步調(diào)一致”地振動。

科學家在實驗室的斜坡上對沙粒唱歌的原因進行研究。圖片來源：法國巴黎狄德羅大學

一顆沙粒的振動微不足道，但當數(shù)百萬顆沙粒同時以同樣的頻率振動時，它們就會共同推動空氣。這時，流動的沙層就變成了一個巨大的揚聲器膜片，將微小的振動放大成震撼的轟鳴聲。甚至還有理論物理學家認為，流動的沙子會與下方靜止的沙層產(chǎn)生共振，進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)聲的物理機制都是沙粒共振，但就像人類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也是風格迥異。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。圖片來源：法國巴黎狄德羅大學

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，簡直是一位受過專業(yè)訓練的“男低音”。無論何時何地，它總是穩(wěn)定地唱著105赫茲的調(diào)子——大概是比中央C低兩個八度的升G音，音色純凈、深沉而穩(wěn)定。

而遠在阿曼沿海小鎮(zhèn)的另一座沙丘，畫風就完全不同了。它活像個在KTV里喝多了的“麥霸”，雖然嗓門很大，但音調(diào)極其混亂。它能同時爆發(fā)出一股從90到150赫茲的嘈雜聲浪，一口氣橫跨了九個音階，簡直是一場聽覺上的“大亂燉”。

阿曼沿海小鎮(zhèn)會“歌唱”的沙丘。圖片來源：法國巴黎狄德羅大學

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

他們想知道，為什么同一個地球上的沙丘，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

物理學家們把這兩種沙子帶回實驗室，放在顯微鏡下一看，破案了。

原來，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，個頭從150到310微米不等，有大有小。

為了驗證猜想，科學家們在實驗室里做了一次“篩選”。他們先是原封不動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)過篩選、個頭統(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"唱歌"的沙子，這是他們在顯微鏡下的樣子。圖片來源：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。

當沙粒大小一致時，它們在滑落過程中會以幾乎相同的速度運動，這讓它們能夠整齊劃一地振動。這就像是訓練有素的儀仗隊，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。

科學家認為，這些成千上萬顆沙粒在滑落時，發(fā)生了一種神奇的“同步化”現(xiàn)象。它們一起振動，共同推動空氣，將微小的摩擦聲放大成震撼的轟鳴聲 。

雖然科學家們還在繼續(xù)研究這些瘋狂滾落的沙粒究竟是如何達成“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'