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声波传输时携带少量质量

来源:环球科学
有质量的声音。根据新的理论,所有声波都会运送少量质量。

根据新的一项理论研究,传统的声波会在传播的时候,携带少量质量。该理论假定了牛顿力学的条件(宏观,低速),避免了这个效应与量子理论或是相对论中的质能等效性相关。研究人员对他们的数学结果还没有一个清楚的物理解释,但他们说,这个想法应该可以在实验中用超冷原子得到验证,或是在地震的观测中得到验证。
去年,纽约哥伦比亚大学(Columbia University in New York)高能物理学家Alberto Nicolis和匹兹堡卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University (CMU) in Pittsburgh)的Riccardo Penco利用量子场论分析了声波通过超流态氦的行为。令他们惊讶的是,他们发现这些波携带着少量的质量,这不仅是因为爱因斯坦著名的质能公式。这两位科学家发现声子(phonons)(即声波的量子单位),它们与引力场相互作用的方式要求它们在运动时传输质量。
现在,Nicolis和另外两位理论学家将分析延伸到了声波在更普遍的材料中的运动(如液体或固体)并发现了几乎相同的结果。对于水中持续一秒的,1瓦的声波,质量大约为0.1毫克。来自瑞士洛桑联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL))的团队成员Angelo Esposito说,“上帝可证这是真实的引力质量,这是我们每天都要经历的引力质量。它只是随波传输的系统总质量的一小部分,从一个地方移动到另一个地方。
大多数物理学家都假设声波携带能量而不是质量,这意味着它们不会产生任何引力场(只要忽略了广义相对论)。研究小组说,他们的分析揭示了这种效应,因为它远超通常用于研究声波的简化线性模型,例如,材料的位移总是与施加的力成正比例。Nicolis说,虽然这种近似模型在大多数情况下都很有效,但它完全忽略了质量效应。
Esposito认为,研究声波的其他研究人员可能忽略了这种影响,因为他们很少考虑与引力的相互作用。但我和我的同事都是高能物理学家,他说:“我认为这有助于我们有一个不同的思考倾向。”
新的计算结果表明,对于大多数材料中的普通声波,所携带的质量等于声波能量乘以一个取决于声速和介质质量密度的系数。声波携带的质量是负的。它是对质量的消耗,而不是质量的增加。所以,某种程度上说,重力场中的声波应该向上漂浮,就像水中的任何有浮力物体一样。
但作者们承认,在找到正确的质量流动的物理解释前,他们还有更多的工作要做。作者指出,对于液体,这种效应似乎暗示着一些小部分的粒子必须逆声波运动。但对于固体来说,这个想法似乎并不太真实。
“我们相信结果,” Nicolis说,“因为固体和液体的数学描述是非常相似的。但是,目前试图在微观层面上解释固体的这些结果是令人困惑。”
“这当然令人惊讶,”CMU的高能物理学家Ira Rothstein说。“你可能会认为在经典物理学中这样的结果是完全能理解的,认为这种效应能很快得到验证。”
他还提出一个对固体效应的物理解释。弹性可压缩的波可以在一个方向上逐渐的移动一小部分的质量,使其至少能到达远表面。Rothstein说,了解固体表面的情况对于正确解释质量流动是至关重要的。
研究人员希望这种效应能很快地被发现。例如,他们估计,声波在处于玻色-爱因斯坦凝聚态的极冷原子中传播所携带的质量,在接近当前检测技术极限的情况下,可以达到系统总质量的1/1000。更为雄心勃勃的是,地震会产生穿过地壳的强大声波,与之相关的质量可能高达1000亿千克,这可以用灵敏的重力监测装置记录。

作者:Mark Buchanan
翻译:王麟涛
引进来源:American Physical Society
引进链接:https://physics.aps.org/articles/v12/23

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本文来自:环球科学
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