Do sóng âm có một khối?

Lý thuyết cho thấy sự tương tác không xác định của sóng âm với trọng lực

Theo sóng âm thông minh thông thường chỉ truyền năng lượng và động lượng - nhưng rõ ràng chúng cũng có một loại khối lượng. © natrot / iStock
đọc to

Tuyên bố đáng ngạc nhiên: trái với sóng âm thanh học thuyết thông thường có thể có một loại khối lượng. Bởi vì các tính toán mới cho thấy những sóng này tương tác với trọng lực và do đó vận chuyển một khối lượng. Nhưng không chỉ có thế: trong nhiều vật liệu, "khối âm thanh" này thậm chí có thể âm - do đó sóng âm sẽ phải uốn cong nhẹ so với trọng lực, như các nhà khoa học giải thích.

Âm thanh chỉ là phổ biến như nó là hấp dẫn. Bởi vì áp suất và mật độ dao động của sóng âm không chỉ truyền âm thanh và âm nhạc vào tai chúng ta. Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến ánh sáng và thậm chí bay lên các vật thể như chùm máy kéo. Điều này là có thể bởi vì sóng âm thanh có thể truyền năng lượng và động lượng của chúng đến các vật thể này.

"Cho đến nay, người ta chấp nhận thực tế rằng sóng âm thanh mang theo động lượng và năng lượng nhưng không phải là khối lượng", ông Miguel Esposito thuộc Đại học Columbia ở New York và các đồng nghiệp giải thích. "Nhưng chúng tôi hiện đang đặt câu hỏi về 'sự thật' này."

Phản ứng âm thanh kỳ lạ trong helium siêu lạnh

Điểm khởi đầu cho điều này là một quan sát rằng các nhà vật lý được tạo ra từ helium siêu lỏng, ultracold năm 2018. Khi về mặt lý thuyết họ hiểu hành vi của sóng âm trong môi trường này, họ đã đưa ra một kết luận đáng ngạc nhiên: các phonon - đơn vị lượng tử của sóng âm - đã phản ứng trong chất lỏng kỳ lạ này trọng lực. "Với sự hiện diện của một trường hấp dẫn bên ngoài, chẳng hạn như Trái đất, quỹ đạo của một phonon uốn cong lên trên, " Esposito và các đồng nghiệp của ông nói.

Tuy nhiên, do các điều kiện kỳ ​​lạ trong helium superfluid, các nhà nghiên cứu không thể loại trừ rằng đó là do sự thay đổi mật độ hấp dẫn trong các hiệu ứng trung bình hoặc lượng tử. Đó là lý do tại sao Esposito và nhóm của ông đã kiểm tra lại và tính toán lại hiện tượng này về mặt lý thuyết - đối với sóng âm thanh cổ điển trong chất lỏng và chất rắn thông thường. trưng bày

Ngay cả sóng âm thanh bình thường khối lượng vận chuyển

Kết quả đáng kinh ngạc: Ngay cả trong điều kiện bình thường, sóng âm dường như tương tác với trọng lực. "Trái ngược với niềm tin phổ biến, sóng âm mang một khối hấp dẫn theo nghĩa Newton - loại khối lượng chúng ta gặp hàng ngày, " Esposito lưu ý. Theo đó, khối lượng "bị ràng buộc" này tồn tại trong sóng âm trong chất lỏng và chất rắn thông thường cũng như chất siêu lỏng.

Theo các nhà nghiên cứu, sự thật đáng ngạc nhiên này đã bị bỏ qua cho đến nay, bởi vì không ai có ý tưởng tìm kiếm các tương tác có thể có của âm thanh với trọng lực. Ngoài ra, khối lượng qua trung gian âm thanh rất thấp và không thể phát hiện được trong các thí nghiệm bình thường cho đến nay. Ví dụ, khối lượng được truyền bởi một phonon năng lượng cao trong helium cực lạnh, ví dụ, của một nguyên tử helium duy nhất, quá ít để được đo bằng các kỹ thuật thông thường.

Bị đẩy lùi bởi trọng lực

Tuy nhiên, kích thước của khối lượng được vận chuyển bởi âm thanh phụ thuộc vào năng lượng của sóng âm và trạng thái và mật độ của môi trường, như các nhà nghiên cứu báo cáo. Do đó, sóng địa chấn của trận động đất mạnh 9 độ richter có năng lượng khoảng một nghìn tỷ joules. "Với tốc độ năm km mỗi giây, tương đương với khối lượng một trăm tỷ kg, " Esposito và các đồng nghiệp của ông nói.

Tuy nhiên, đáng ngạc nhiên là rõ ràng các sóng âm phản ứng hoàn toàn ngược lại với trọng lực như một khối lượng bình thường - chúng di chuyển ra khỏi nó, thay vì bị thu hút bởi nó. "Đối với các phương trình trạng thái bình thường ở tốc độ cao của âm thanh và áp suất cao hơn, khối lượng qua trung gian của sóng âm là âm", các nhà vật lý giải thích. Tương tự như các phonon trong helium, sóng âm bình thường nên uốn cong nhẹ lên trên dưới tác động của trọng lực.

Nghe có vẻ lạ thường và kỳ lạ, các nhà khoa học tin chắc về tính chính xác của các tính toán của họ: "Chúng tôi tin tưởng vào kết quả của chúng tôi", đồng nghiệp của Esposito, ông Alberto Nicolis nói. Tuy nhiên, họ chưa biết làm thế nào các sóng âm thanh vận chuyển khối lượng này và cơ chế vật lý nào đứng sau nó.

"Khối lượng âm thanh" sớm đo được?

Tuy nhiên, các nhà vật lý hy vọng rằng "khối âm thanh" này có thể sớm được phát hiện, ví dụ như sóng động đất. Bởi vì khối lượng được vận chuyển bởi chúng về mặt lý thuyết cũng phải có tác dụng hấp dẫn. Do đó, một làn sóng như vậy sẽ phải thay đổi lực hấp dẫn của Trái đất một lượng rất nhỏ một phần mười của một nanomet mỗi giây, như các nhà nghiên cứu đã tính toán.

"Hiện tại, đồng hồ nguyên tử và khối lượng tử có thể phát hiện dao động trọng lực dưới một nanomet mỗi giây, " Esposito và nhóm của ông nói. "Do đó, người ta có thể tưởng tượng rằng trong một tương lai không xa, họ sẽ đạt được độ nhạy cần thiết để phát hiện các trường hấp dẫn của sóng địa chấn." (Thư đánh giá vật lý, 2019; doi: 10.1103 / PhysRevLett.122.084501 )

Nguồn: Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ (APS)

- Nadja Podbregar