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聲波可以攜帶質量?

發布時間:2019-07-15 作者: 來源: 原理微信公眾號 瀏覽:4089

2018年,高能物(wù)理學家Alberto Nicolis和Riccardo Penco在利用量子場論分析聲波通過超(chāo)流氦的行為時驚訝(yà)地發(fā)現,這些聲波(bō)攜帶(dài)著少量的質量。他們發現(xiàn),在聲子(聲波的量(liàng)子單(dān)位)與引力場的相互作用中,聲子在運(yùn)動時會傳輸質(zhì)量。


現在(zài),Nicolis與另外兩名理論家將這種研究擴展到一(yī)些(xiē)更熟悉的物質,例如普通的液體或固體中,得到的(de)結果幾乎與之前相同:一個長1秒、功率為1瓦特(tè)的聲波,攜帶的質量大約為0.1毫克。


作為研究人員之一的Angelo Esposito說:”這種質量就是(shì)我們每天都在經曆著(zhe)的實實在在的引(yǐn)力質量,它是(shì)係(xì)統總質量的一(yī)小部分,會隨著波的運動從一個地方移動到另一個地(dì)方。“


過去,大(dà)多數物理學家都(dōu)假設聲波攜帶的是能量而非質(zhì)量,這意味著它們不會產生任何引力場。新的研究分析所揭示的效應超(chāo)越了(le)通常用於研究聲(shēng)波的(de)線性(xìng)模型,那(nà)是一種簡化過的模型,例如(rú)它們假(jiǎ)設(shè)材料的位移總(zǒng)是與施加的力成正比。雖然這(zhè)種(zhǒng)近似在大多數情況下都是可行的,但它卻完全忽略了質量效應。Esposito認為,這是因為大多數人在研究聲波時很(hěn)少考慮聲波與引力的相(xiàng)互作用。


新的計算表明,對大多數材料中的普通聲波來說,聲波攜帶的質量等於(yú)聲波(bō)的能量乘(chéng)以一個由聲波速度以(yǐ)及(jí)介質質量密(mì)度決定(dìng)的(de)因子。聲波攜帶的質量是負的,這(zhè)是一種質量的消(xiāo)耗,而不是質量的增加。因此,在引力場中的(de)聲波應該(gāi)像任何在水中(zhōng)有浮力的物體一樣向上漂浮。


研(yán)究人(rén)員表示,要(yào)找到對質量流的正確物理解釋,他們還有更多的工作要做。他們指出,對於液(yè)體來(lái)說,這種效應似乎(hū)意味著一小部分的粒子必須逆聲(shēng)波的運(yùn)動(dòng)而行(háng)。但這種觀點對固體的可行性要(yào)更低。


Nicolis 說:“我們(men)相信(xìn)這個結果,因為(wéi)描述(shù)固體和液體的數學是(shì)非常相似的。但是(shì),目(mù)前仍困惑於要如何從微觀層麵解釋固體的這些結果。”


高能物理學家Ira Rothstein 對固體中的這種效應(yīng)提出了一(yī)種可能的物理解釋。彈性壓(yā)縮波可以(yǐ)向一個(gè)方向漸進地移動一小塊質量,至少在抵達遠場表(biǎo)麵之前(qián)會如此。Rothstein 說,理解固(gù)體表麵(miàn)發生的變化對於正確解釋質量流(liú)來(lái)說至關重要。


研究人員希望這種效應能很快被探測到。例如,他們估計在極冷原子的玻色-愛因斯坦凝聚態下,一個(gè)聲(shēng)波所能攜帶的質量可以達到係統總質量的(de)1/1000,接近目前探測技術的極限。另外,我們還可以利用地震來進行測量:當地震產生的強烈聲波穿過地殼(ké)時,與之相關的質量或許可以高達1000億(yì)公斤,這樣就可被敏感的引力探測設備記錄。

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