@ 2019.03.10 , 12:00

                            聲波攜帶質量

                            即使忽略廣義相對論,根據這個理論,聲波也會攜帶少量質量。

                            聲波攜帶質量

                            根據一項最新的理論研究,普通聲波在其傳播過程中攜帶少量質量。該理論假設牛頓條件成立,因此這個效應和量子理論或相對論中的質能等效無關。研究人員尚未就其數學結果給出明確的物理解釋,但他們說,這個猜想應該可以檢驗,例如冷原子實驗,也可能是在地震觀測中。

                            去年,美國紐約哥倫比亞大學的高能物理學家Alberto Nicolis和現于匹茲堡卡耐基梅隆大學的Riccardo Penco使用量子場論分析了聲波通過超流氦傳播的行為(譯者初注:參見相關蛋文甲)。意外的是,他們發現聲波攜帶少量質量,且不僅是因為Einstein著名的質能方程(譯者又注:參見相關蛋文乙)。二人組發現,聲子,作為聲波的量子單位,其與引力場相互作用的方式,要求它們在運動中攜帶質量。

                            現在,Nicolis和其他兩位理論學家把分析延伸到更常見的材料中,如液體或固體,并也得到了一樣的結論。對于水中時長一秒、功率一瓦特的聲波,其質量大約為0.1毫克。“這真真是人們日常經驗中的引力質量”,工作于瑞士洛桑聯邦理工學院(譯者再注:猜猜隔著千山萬水的他們是怎么認識的)的團隊成員Angelo Esposito說,“這就是隨著聲波一起運動的物理系統的質量的一部分,從一處被搬運到了另一處。”

                            大多數物理學家認為,聲波攜帶能量而非質量,這意味著它們不會產生任何引力場,如果忽略廣義相對論的話(譯者還注:在牛頓引力中,只有質量會產生引力場;在廣義相對論中,不僅是質量,能量也會“產生引力場”)。團隊表示,他們的分析能揭示新現象,是因為分析超越了通常用于研究聲波的簡單的線性化模型。在后者中,以材料的位移為例,它通常是正比于施加的力(譯者加注:想象一個彈簧測力計,或者彈簧掛秤:拉長的程度正比于施力大小)。Nicolis說,雖然這種近似對絕大多數情況都很不錯,但它完全忽略了質量效應。

                            Esposito認為,其他研究聲波的學者忽略了這個效應,可能是因為他們極少考慮和引力的相互作用。然而,他和同事們是高能物理學家。“我覺得這有助于持有不同的心態”,他說。

                            新的計算表明,在絕大多數材料中,普通聲波攜帶的質量,等于聲波的能量,乘以一個和聲速跟介質質量密度有關的因子。并且聲波攜帶的質量是負的(譯者雙注:參見相關蛋文丙,以及相關蛋文丁)。它是一種質量損耗,而不是質量增益。因此,引力場中的聲波應該會漂起來一些,與水中的浮體類似。

                            但作者也承認,還有更多工作要做,以找到質量流的正確物理解讀。作者提到,對于流體,這個效應似乎是說,某一小部分粒子必須與聲波傳播反向運動。然而,這個想法在固體中就不太可行了。

                            “我們相信這些結論”,Nicolis說,“因為描述固體和液體的數學是非常相似的。但要想在微觀層面上解讀固體中的結論,還是讓我們很困惑。”

                            “這當然出人意料”,卡耐基梅隆大學的高能物理學家Ira Rothstein說,“你會覺得,像這種經典物理中的結果,已經完全被看透了。希望很快就有人去測一下這個效應。”

                            他同時也提出了一種固體中效應的可能的物理解讀。至少在達到遠處的表面以前,彈性壓力波可以不斷把很少的質量往同一個方向推動。Rothstein說,理解在固體表面發生了什么,將是正確解讀質量流的關鍵。

                            研究者希望,這個效應很快就能被探測到。舉例來說,他們估計,在超冷原子形成的Bose-Einstein凝聚體(譯者叒注:參見相關蛋文戊)中,聲波可以攜帶系統總質量的一千分之一,這已經能接近目前探測技術的極限。放個衛星的話,地震產生的強烈聲波穿過地殼,它們的質量可以達到一千億公斤,應該能被敏感的重力監測設備記錄下來。

                            研究發表在《物理評論快報》上。

                            原文作者:工作于英國威爾士和法國諾曼底的自由職業科學作家Mark Buchanan
                            原文日期:2019年3月1日
                            本文譯自 Physics,由譯者 cmp0xff 基于創作共用協議(BY-NC)發布。


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