牛马 |“玩”到极致的实验物理学家

本文是牛马社会的第46篇原创文章，作者：程旸，上海交通大学物理系博士。

提到现代物理学你想到什么？你大一的时候最头疼的公共课？或者天书一样数学推导与图表，又或者如爱因斯坦般不修边幅的物理学家？当然，这些都是物理学，不过仅仅是物理学的一面而已。现代物理学经过上百年的发展已经深入到我们生活的每一个角落里，而且，事实上现代的物理学离终点还差的太远，新的研究方向，待解决的问题一直在不断的涌现。虽然二十世纪上半叶那样的物理学神话时代现在看似已经不见踪影，但是今天全新的物理学发展轨迹也一定会让你惊讶不已的。

本文中的物理学家杜瓦迪博士，他可以说是当今实验物理学的一个异数人物，也可以说是典型人物。现代物理枝叶之繁盛，与生活交叉之紧密，在此人身上都能看出来。了解他的工作之后，你大概才会恍然大悟，原来，这也是物理学，这也是物理学家。 

上面这张照片拍摄地点是智利，这位老兄就是斯特凡纳·杜瓦迪博士了，实验物理学家，1965 年出生，现任职于法国巴黎高等师范学院统计物理实验室(不要被师范学院这几个字误导了，高等师范学院乃是法兰西国之顶尖高校，人家 1794 年就叫这个了，想想中国的大学这一阵改名风，实在是没的比)。个子不高，貌不惊人，说一口法国腔极重的英文，想象力无比丰富，好世界各地游走，不为观光旅游，只为研究物理。

到植物学里横插一杠子

话说某年月日，此人游荡于巴黎一菜市场街头，忽然发现地上有一花菜模样的植物，换了笔者大约会一脚踢开，而这位老兄不同，他把这玩艺捡了起来端详一番。这物理学家的直觉不得不服啊，天赋异禀没有办法。就因为这个花菜，他开始对原本属于植物学家才会感兴趣的植物生长形态学这一问题的研究工作，并用物理的方法解决了一个数百年来所有人都知道，而始终无法解释的重大问题：为什么在几乎所有花序叶序中都存在黄金分割。

举个例子，向日葵的花盘上面有很多葵花籽，这些籽的排列都是有规律的。向左的旋臂数与向右的旋臂数一定是两个连续的菲波纳契数(就是著名的 1,1,2,3,5,8,13,21,34...这个数列)。而从数学上大家都知道菲波纳契数列两个连续项之比无限趋进于黄金分割值。不光是葵花籽盘，几乎每个植物都有这样的性质，比如大家见得很多的花菜，上面的菜头也有同样的排列，竹笋，或者新的树枝长叶子的时候也是按照同样规律。

植物学家们早就发现了这件事情，但是一直没有人能回答，为什么有这样的规则。直到物理学家介入这个问题，杜瓦迪设计了一个极精彩的实验，用带磁性的液滴模拟植物尖端不断长出的节点（这样的节点就是新的枝条或者长出花籽的地方），液滴的磁性模拟各个节点之间的作用，利用油来悬浮这样的液滴。

实验现象大致是，把这样的磁性液体一滴滴的滴下去，在一定的条件下，这些液滴悬在油里就能排列成左右旋臂的结构，与植物生长的形态完全相同。由此实验，以及杜瓦迪与合作者后续的理论分析与计算机模拟结果很完美的解决了这个看似神秘的自然现象。这个工作最后写成三篇总共长达五十余页的文章在 1996 年的《理论生物学报》连续发表，名为《作为自组织过程的叶序学研究》[1]。

不知道大家对前阵子卖的热火朝天的小说《达芬奇密码》还有印象否，其中第二十章有一段和上面说的这些就有关。文中的兰登教授给学生演示了一大堆生物界中存在黄金分割的图片，诸如鹦鹉螺的外形，向日葵的花盘，螺旋形的松果等等，自然学生们都无比的惊叹，教授也大发感慨曰“朋友们，正如你们所见，纷繁复杂的自然界隐藏着规则。当古人发现黄金分割时，他们肯定自己已经偶然发现了上帝造物的大小比例，也正因为这一点他们对自然界充满了崇拜之情。上帝的杰作可以在自然界中找到印证，……”

看到这句话我忽然想起古人对于暴风和闪电的感情来，当自然界无法解释的时候，归功于一个人格化的造物主是多么的方便。可惜的是一代代的物理学家们一项一项的证明了在所有这些现象中，上帝都是一个并不需要的条件。对自然界所有引入上帝的解释都被奥卡姆剃不留情面的逐个砍掉，风雨雷电，四季变换，乃至人类创生，无不如此，杜瓦迪的研究又让这个工作推进了一步。物理学家解释大自然并不需要上帝这个前提，向日葵的螺旋结构未必是上帝的杰作，却一定是物理学的最基本原理作用的结果。

沙丘为什么会鸣叫？

言归正传。到植物学家那里横插了一杠子之后，杜瓦迪先生看起来不愿意闲着，不知道什么时候开始，这位老兄又开始对沙丘感兴趣了。估计是看了马可波罗行记吧，上面应该记载了中国敦煌的鸣沙山，就是个推动沙子能发出轰隆隆的声音的沙丘。全世界的沙丘无数个，能发出声音的没几个，为什么有声音？不知道，为什么这个有声音别的都没有？也不知道。好像以前也没人去正经的把这个事情当成科学问题研究过，大概实在是太稀少，大部分人估计也懒的到处跑。

我们的小杜同志不同，想到这个问题，说走就走，背了一大堆摄像器材录音器材等等，满世界跑。先是去了南美洲，好像在智利有两个沙丘也会轰隆隆，而后又去了摩洛哥的某个地方，最后到了内蒙古的巴丹吉林沙漠和甘肃敦煌的鸣沙山，沿着密斯脱波罗的脚印到咱中国来了。

去这些地方干什么呢？做物理实验。其做法就是架好摄像机和麦克风，然后跑到沙丘上坐下就开始使劲推沙子。还没完，还得再找当地的几个朋友在沙子上一坐一排，一起推，有意思吧？然后带着这些资料声音录像什么的就回了巴黎，开始在实验室里捣鼓沙子，高人出手果然一击必中，他就在实验室里做了这么一个玩沙子的装置，把沙子倒进去搅和搅和，居然真的就有声音了。

同样拍了若干录像录了若干声音统计了一大堆数据之后，一些规律也慢慢的清楚了，比如说沙子颗粒的大小是和发声频率有关的，这也是为什么世界上几个能发声的沙丘发出的声音高低不同的原因之一，等等，这个工作的文章题为《沙丘之歌：作为自同步乐器的沙丘发声研究》[4]。

这里多说一句，他这个工作也是有学术背景，不纯粹是为了好玩的。对颗粒体系的研究是最近几年物理学的一个新的分支，为什么以前没有研究，因为实在太复杂，看起来似乎很平常的一堆沙子，实际上有大把问题都没有解决。用经典力学的方法从理论上解析的描述颗粒物质的行为是基本不可能的，只能用计算机数值模拟，也是因为最近若干年计算机的发展，物理学对于一些复杂系统的描述才有了可能，相关的实验工作这几年也才慢慢开展起来。

杜瓦迪研究了很长时间的沙丘，除了沙丘发声的问题以外，还有一个值得称道的工作就是研究沙丘的移动。大家都知道沙漠里的沙丘都是月牙形的，而且会做定向移动，一年年吞噬绿地，当然这些主要都是和风有关。在移动过程中，风扬起后面的沙子在前方落下，沙丘就这样缓慢向前移动。

沙漠中的沙丘有大小无数，他们的形态如何随移动变化，大小沙丘移动的速度有什么不同，沙丘之间会不会有碰撞，碰撞的结果又是如何，像这一类的沙丘形态学与动力学问题，自1941年R.A. Bagnold的先驱工作起，已经被人研究超过五六十年了，而其中相当多的问题还是完全不清楚，原因大约是因为以往做这些工作的研究人员都是地质或地理学者，而地质学和地理学与大部分自然科学一样，主要任务是积累知识而不是解释世界，是研究“存在什么”而不是“为什么会存在”。

与其他自然科学不同，发现现象背后的基本规律，是物理学的长处与目标所在。再者，由于真实沙丘的巨大体积(尺度大于100米)与缓慢的移动速度(数米每年)，客观上导致这方面的实测研究十分困难。这时候我们的物理学家杜瓦迪再次灵感爆发，他想到了一个极其聪明的方法在实验室里就模拟了真实沙丘的运动性质，这个实验把小到五厘米尺度的小沙堆，放置于电动的传送带上，然后再把整个系统浸在水里。这样水流对小沙堆的作用与真实情况下风对沙丘的作用完全类似，而实验现象明显很多，水的速度，沙丘的大小都可以随意调节。

这个实验实在是太过天才，笔者是佩服的五体投地的。要知道，实验物理学家所追求的就是这样的简洁明确的系统，这样的装置看似简单无比，但它蕴含的物理精神绝对不比硕大无朋耗资无数的电子对撞机或者太空望远镜什么的差。

就是这么一个简单的装置，杜瓦迪和他的合作者们解决了几十年来地理学家们解决不了的问题，沙丘的各种动力学性质，移动，碰撞，运动中互相吞噬等等，都能通过这套系统表示出来，而且和沙漠里天天发生的真实情况完全对的上[2,3]。看下面这张图，左边是高空飞机航拍的真实沙丘照片，右边是实验室里的微型沙丘照片，是不是非常的相似？自然之奇妙，语言难以表达。

杜瓦迪是典型的“玩”物理的学者，他永远能在工作中发现无尽的乐趣，听他讲课的时候，他那种对物理学的热爱，真的是能感染所有的人。好之者不如乐之者这句话，的确有道理。 

当然了，他的工作显然不止上面说的这些，譬如他研究过植物叶子的脉络这样的东西[5]，也是属于植物生长形态学方面，还有沙子的流动与塌陷等等[6,7]。以物理学的方法解决这样类型的问题，是今天物理学的前沿方向之一。科学的领域广阔无边，就在我们身边天天出现的事情也都可能包含了尚未解决的问题，而解决这些问题，除了看似有趣之外，还有深刻的多的意义。

现代科学的发展已经使物理学的思考方法有了无限的用武之地，在各种学科交叉的今天，任何的科学问题研究到最深入的基本规律的底层，几乎是物理学的领域。希望这篇文章能让读者们能对当今物理学研究中不为大众所知的另一面能有一些了解，对现代物理学的发展也能有一个新的认识。   

Reference:

[1] S. Douady, Y. Couder, J. theor. Biol.178,155-274(1996), J. theor. Biol. 178,275-294(1996), J. theor. Biol.178,295-312(1996)

[2] P. Hersen, S. Douady, B. Andreotti, Phys. Rev.Lett. 89 264301(2002) 

[3] P. Hersen et al. Phys. Rev. E. 69, 011304 (2004)

[4] S. Douady et al. to be published.

[5] S.Bohn, et al. Phys. Rev E. 65, 061914.(2002).

[6] B. Andreotti, S. Douady, Phys. Rev. E. 63,031305(2001)

[7] A. Daerr, S. Douady, Nature. 399 241(1999)

假装有文化，要收藏牛马

点阅读原文，看历史好文