罐子裡的咖啡豆、成堆的米或沙子都是顆粒物質的例子：這些物質由大量宏觀而非原子尺度的粒子組成。雖然顆粒物質在日常生活中極為常見，但它卻是基礎物理學中一個意想不到的前沿領域：人們對它知之甚少。

顆粒狀物質的例子：操場上的塑膠球、礫石、芝麻和扁豆（從左上角開始順時針方向）。圖片分別由Julia Kertesz、Martin Olsson、Jitender Kumar 和Zyance 提供（資料來源：維基百科）。

加州大學聖克魯茲分校和凱斯西儲大學的理論物理學家Onuttom Narayan 和Harsh Mathur 在最近發表在《歐洲物理雜誌E》上的一項新研究中，對聲音在顆粒材料中的傳播，特別是在接近所謂的”幹擾轉換”時的傳播作了一些說明。

了解顆粒物質的特性對許多實際工業應用都非常重要。值得注意的是，顆粒物質中的聲學振動問題最近成為流行文化中的一個討論主題：新上映的電影《沙丘》引發了一場關於聲音能否在沙子中傳播的辯論。 (答案是：可以）。

觀察一堆米就能發現顆粒物質的奇特之處。如果你輕輕推一堆米，它看起來是固體。但如果你拿起一些米，讓它從手中滑落，它就會像液體一樣傾瀉而下。因此，一堆米既不是固體，也不是液體。它是一種顆粒狀材料，必須根據其自身的特徵來理解。

要理解堵塞的轉變，可以想像一下將咖啡豆倒入一個有狹窄噴嘴的漏斗中。如果咖啡豆倒得很慢，它們就會流過噴嘴，但如果大量咖啡豆快速倒入漏斗，咖啡流就會堵塞。當流速增加時，就會出現堵塞現象：物料從流動狀態突然轉變為阻塞狀態。

在實驗室中，研究人員通常會研究聚苯乙烯珠子包，因為這種珠子包比咖啡豆更適合實驗。研究發現，這種珠子包會以一組特徵頻率發生聲波振動。這組特徵頻率稱為珠包的頻譜。頻譜因珠包而異，因此問題在於對可能出現的各種頻譜進行統計。

Narayan 和Mathur在許多研究人員，特別是俄羅斯伊奧夫研究所的雅羅斯拉夫-貝爾圖科夫和羅馬薩皮恩扎大學的喬治-帕里西等人的重要前期工作基礎上，證明了頻譜的某些統計特徵是普遍的，而其他特徵則是非普遍的。在這裡，普遍性指的是任何足夠複雜的系統的振動頻率所共有的特徵；非普遍性指的是受干擾的顆粒物質所特有的特徵。

研究證明，頻譜的普遍特徵可以用隨機矩陣理論來描述，隨機矩陣理論是核物理學家在20 世紀50 年代發展的數學分支。隨機矩陣理論適用於顆粒物質振動的可能性有其重要的先例。但在這項新研究中，研究人員首次令人信服地證明，光譜是由一種特殊的隨機矩陣理論（稱為拉蓋爾集合）描述的。

納拉揚和馬圖爾也建立了一個關於受阻顆粒物質振動的模型，該模型能夠解釋頻譜的一些非普遍性特徵。這個模型與納拉揚多年前開發的模型非常相似，後者的目的是解決顆粒物質的另一個重要難題：應力如何在被壓縮的珠粒中分佈。

尋找不同現象的統一描述是基礎物理學的一個主要目標。未來工作的一個重要目標是將這兩個相關模型合併為應力分佈和振動光譜的統一描述。

粒狀物質的普遍特徵提醒我們，人們不僅要從亞原子世界或宇宙尺度上尋找尚未解決的重要基礎問題：在我們身邊的日常生活中也可能存在同樣具有挑戰性的重大問題。