沙之漣漪講述的故事 - 《華爾街日報》

物理學家海倫·切爾斯基探索常見現象背後的複雜科學。閲讀更多專欄請點擊此處。

又到海灘季，雖然我也難以抗拒冰淇淋、飛盤和踏浪的誘惑，但真正讓我愛上任何海灘的原因是它同時具備躁動與寧靜的特質。眺望海洋時，時間彷彿靜止，浩瀚的海面如同地球尺寸的慰藉毯，讓你重新審視煩惱。但海灘又始終處於變化之中——每天走在同一條小徑，沙粒總會呈現嶄新的樣貌。我最鍾愛沙面上的波紋，因為它們訴説着自然的故事。

這些波紋最引人注目的是其高度規律性。它們存在於潮汐、洋流與風共同作用的環境中，每粒沙子都受制於周遭無序流動的水體與空氣。這本該導致混亂，但微小的沙粒卻能排列出規整圖案：有時是筆直的脊線，有時呈波浪或菱形，有時分叉又複合。儘管每粒沙獨立運動，卻共同構成了更宏大的形態。

所有沙粒都遵循相同的物理法則。雖然我們無法觀測每粒沙的受力情況，但整體圖案卻揭示了它們形成時的環境信息——只要你懂得解讀。海灘波紋在水下形成，當波浪或水流掠過沙牀時，低速水流不會產生影響，但一旦流速足以推動沙粒滾動，奇蹟便開始顯現。

首先你會注意到水邊的波紋與溪流入海處水道中的波紋有所不同。水道中水流僅朝單一方向流動。一旦河牀出現任何隆起，水流經高點時速度會短暫加快，推動沙粒沿緩坡上移。越過峯頂後水流減速，沙粒便沿着山脊更陡的下游側滑落，形成不對稱的波紋。隨着更多沙粒被推上斜坡，波紋逐漸擴大。經過一段時間，水流在波峯微加速、在波谷減速的模式趨於穩定，波紋間距便根據水深和流速形成規律排列。

水邊的波紋則由經過的波浪造成，波浪會使水體做圓周運動，因此這些波紋呈對稱形態，上下游側坡度相同。其間距取決於水深與浪高。若退潮時波浪減弱，波峯會被侵蝕變平。

當然，洋流與潮汐從不停歇，波紋剛適應某種環境又面臨新變化。這正是那些蜿蜒分叉的波紋圖案的成因——它們定格在形態切換的中間態。

塑造海灘波紋的物理原理與形成風力沙丘的原理相同。這解釋了為何在火星和土衞六發現波紋令科學家振奮。就像我們能通過海灘波紋解讀其形成環境一樣，科學家正通過觀測外星的風成波紋來研究地外環境。今年夏天漫步海灘時，不妨試着解讀那些波紋密碼，想象太空中還有多少沙粒書寫的信息等待破譯。

出現在2023年8月19日的印刷版中，標題為《沙中漣漪講述的故事》。