最近發表在《Nature Communications》上的一項研究發現，成堆的沙粒即使不受干擾也在不斷運動。來自賓夕法尼亞大學和范德比爾特大學的研究人員通過利用高度敏感的光學干擾數據提出了挑戰地質學和物理學中關於土壤和其他類型的無序材料表現機制的現有理論的結果。
大多數人只有在土壤突然失去剛性的時候才會意識到山坡上的土壤運動，這種現象被稱為土體屈服。“假設你在一個山坡上有土壤，然後如果發生地震或下雨，這種表面上是固體的材料就會變成液體，”賓夕法尼亞大學的首席研究人員Douglas Jerolmack說道，“普遍的框架把這種失效當作是裂縫破裂。這有問題的原因是，你在用固體機械標準對材料進行建模，但你是在它變成液體的時候進行建模，所以就存在一個內在的矛盾。”
這樣的模型意味着，在屈服點以下，土壤是固體，因此不應該流動，但土壤在其屈服點以下緩慢而持續地“流動”，這個過程被稱為土體蠕變。對蠕變的普遍地質學解釋是，它是由物理或生物干擾引起，如凍融循環、倒下的樹木或鑽探的動物，它們的作用是移動土壤。
在這項研究中，論文第一作者、賓夕法尼亞大學博士生Nakul S. Deshpande根據現有的理論得出結論，這些沙粒應該是完全不動的。“研究人員已經通過假設土壤顆粒在蠕變中的某些行為建立了模型，但實際上沒有人直接觀察到這些顆粒的行為。”
為了做到這一點，Deshpande建立了一系列看似簡單的實驗，即在振動隔離工作台上的小型有機玻璃箱中製造沙堆。之後，他使用了一種叫做擴散波光譜的激光光散射技術，這種技術對非常小的顆粒運動非常敏感。“這些實驗在技術上具有挑戰性，”Deshpande談到這項工作時說道，“把技術推到這種分辨率在物理學中還不常見，並且這種方法在地球科學或地貌學中也沒有先例。”
第一個實驗看起來很簡單：把一堆沙子倒進盒子里，讓它靜置，然後用激光觀察。但研究人員發現，雖然直覺和流行的理論說未受干擾的沙堆應該是靜態的，但沙粒堆實際上是一個不斷運動的質量，其表現得像玻璃一樣。
“在我們可以測量沙子的每一種方式中，它都像一個冷卻的玻璃一樣放鬆，”Deshpande指出，“如果你拿一個瓶子把它融化，然後再把它冷凍起來，在那個冷卻的玻璃中的那些分子的行為，在我們能夠測量的每個方面，都和沙子一樣。”
在物理學中，玻璃和土壤顆粒是“無序”系統的典型例子，其組成顆粒是隨機排列的，而不是結晶的、定義明確的結構。雖然無序材料是賓夕法尼亞大學材料研究科學與工程中心的一個主要重點領域，在它們受力時如何變形方面有一些共同的行為，但玻璃和一堆沙子之間有一個重要的區別。組成玻璃的分子總是以取決於溫度的速度隨機移動，但沙粒太大，無法做到這一點。正因為如此，物理學家預計一堆沙子會被“卡住”而不動，但這些最新的發現為物理學和地質學的研究人員提出了一種新的土壤思維方式。
此外，還一個令人驚訝的結果是，土壤的蠕變速度可以根據所使用的干擾類型來控制。雖然在研究人員觀察的時間裡，未受干擾的沙堆繼續蠕變，但在一個被稱為老化的過程中，顆粒運動的速度會隨着時間的推移而減慢。當沙子顆粒被加熱時，這種老化被逆轉，從而使蠕變率增加到它們的初始值。與此相反，敲擊沙堆則加速了老化。
Jerolmack說道：“我們傾向於認為推動土壤走向產量的事情，如地震的震動引發了山體滑坡，但自然界的其他干擾可能會推動土壤進一步遠離產量，或使山體滑坡更難發生。”
在短期內，研究人員正在進行後續實驗，利用磁探針重現局部干擾的影響，以了解干擾如何導致系統進一步遠離或接近產量。他們還在研究實地觀察的數據，從自然的土壤蠕動到災難性的山體滑坡事件，看看他們是否能將他們的實驗室實驗與觀察者在實地看到的情況聯繫起來，從而有可能在災難性的景觀破壞發生之前找到新方法。
研究人員希望他們的工作可以成為完善現有理論的一個起點。據悉，現有的這些理論依賴於一個範式，它就像一個山坡的土壤顆粒隨着時間的推移而轉移，不再有重量。“當你觀察到一些真正反直覺的新東西時，現在要花很長時間才能變成一個可以使用的模型，”Jerolmack說道，”我希望在地球科學方面，擁有先進工具、技術和經驗的人將在我們已經結束的地方拾起，並說‘我對在該領域尋求這種簽名有一個新的想法，你不會想到的–那種規模和能力及興趣的自然交接。’”