新研究揭示了颗粒物质的普遍特性

颗粒状物质的例子：操场上的塑料球、砾石、芝麻和扁豆（从左上角开始顺时针方向）。图片分别由 Julia Kertesz、Martin Olsson、Jitender Kumar 和 Zyance 提供（来源：维基百科）。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校和凯斯西储大学的理论物理学家 Onuttom Narayan 和 Harsh Mathur 在最近发表在《欧洲物理杂志 E》上的一项新研究中，对声音在颗粒材料中的传播，特别是在接近所谓的"干扰转换"时的传播作了一些说明。

了解颗粒物质的特性对许多实际工业应用都非常重要。值得注意的是，颗粒物质中的声学振动问题最近成为流行文化中的一个讨论主题：新上映的电影《沙丘》引发了一场关于声音能否在沙子中传播的辩论。(答案是：可以）。

观察一堆大米就能发现颗粒物质的奇特之处。如果你轻轻推一堆米，它看起来是固体。但如果你拿起一些米，让它从手中滑落，它就会像液体一样倾泻而下。因此，一堆米既不是固体，也不是液体。它是一种颗粒状材料，必须根据其自身的特点来理解。

要理解堵塞的转变，可以想象一下将咖啡豆倒入一个带有狭窄喷嘴的漏斗中。如果咖啡豆倒得很慢，它们就会流过喷嘴，但如果大量咖啡豆快速倒入漏斗，咖啡流就会堵塞。当流速增加时，就会出现堵塞现象：物料从流动状态突然转变为堵塞状态。

在实验室中，研究人员通常会研究聚苯乙烯珠子包，因为这种珠子包比咖啡豆更适合实验。研究发现，这种珠子包会以一组特征频率发生声波振动。这组特征频率被称为珠包的频谱。频谱因珠包而异，因此问题在于对可能出现的各种频谱进行统计。

Narayan 和 Mathur在许多研究人员，特别是俄罗斯伊奥夫研究所的雅罗斯拉夫-贝尔图科夫和罗马萨皮恩扎大学的乔治-帕里西等人的重要前期工作基础上，证明了频谱的某些统计特征是普遍的，而其他特征则是非普遍的。在这里，普遍性指的是任何足够复杂的系统的振动频率所共有的特征；非普遍性指的是受干扰的颗粒物质所特有的特征。

研究证明，频谱的普遍特征可以用随机矩阵理论来描述，随机矩阵理论是核物理学家在 20 世纪 50 年代发展起来的数学分支。随机矩阵理论适用于颗粒物质振动的可能性有其重要的先例。但在这项新研究中，研究人员首次令人信服地证明，光谱是由一种特殊的随机矩阵理论（称为拉盖尔集合）描述的。

纳拉扬和马图尔还建立了一个关于受阻颗粒物质振动的模型，该模型能够解释频谱的一些非普遍性特征。这个模型与纳拉扬多年前开发的一个模型非常相似，后者的目的是解决颗粒物质的另一个重要难题：应力如何在被压缩的珠粒中分布。

寻找不同现象的统一描述是基础物理学的一个主要目标。未来工作的一个重要目标是将这两个相关模型合并为应力分布和振动光谱的统一描述。

粒状物质的普遍特征提醒我们，人们不仅要从亚原子世界或宇宙尺度上寻找尚未解决的重要基础问题：在我们身边的日常生活中也可能存在同样具有挑战性的重大问题。