@ 2019.03.10 , 12:00

                            声波携带质量

                            即使忽略广义相对论,根据这个理论,声波?#19981;?#25658;带少量质量。

                            声波携带质量

                            根据一项最新的理论研究,普通声波在其传播过程中携带少量质量。该理论假设牛顿条件成立,因此这个效应和量子理论或相对论中的质能等效无关。研究人员?#24418;?#23601;其数学结果给出明确的物理解释,但他们说,这个猜想应该可以检验,例如冷原子实验,也可能是在地震观测?#23567;?/p>

                            去年,美国纽约哥伦比亚大学的高能物理学家Alberto Nicolis和现于匹兹堡卡耐基梅隆大学的Riccardo Penco使用量子场论?#27835;?#20102;声波通过超流氦传播的行为(译者初注:参见相关蛋文甲)。意外的是,他们发现声波携带少量质量,且不仅是因为Einstein著名的质能方程(译者又注:参见相关蛋文乙)。二人组发现,声子,作为声波的量子单位,其与引力场相互作用的方式,要求它们在运动中携带质量。

                            现在,Nicolis和其他两位理论学家把?#27835;?#24310;伸到更常见的材?#29616;校?#22914;液体或固体,并也得到了一样的结论。对于水中时长一秒、功率一瓦特的声波,其质量大约为0.1?#37327;恕!?#36825;真真是人们日常经验中的引力质量?#20445;?#24037;作于瑞士洛桑联邦理工学院(译者再注:猜猜隔着千山万水的他们是怎么认识的)的团队成员Angelo Esposito说,“这就是随着声波一起运动的物理系统的质量的一部分,从一处被搬运到了另一处。”

                            大多数物理学家认为,声波携带能量而非质量,这意味着它们不会产生任何引力场,如果忽略广义相对论的话(译者还注:在牛顿引力中,只有质量会产生引力场;在广义相对论中,不仅是质量,能量?#19981;帷安?#29983;引力场”)。团队表示,他们的?#27835;?#33021;揭示新现象,是因为?#27835;?#36229;越了通常用于研究声波的简单的线性化模型。在后者中,以材料的位移为例,它通常是正比于施加的力(译者加注:想象一个弹簧测力计,或者弹簧?#39029;櫻?#25289;长的程度正比于施力大小)。Nicolis说,虽然这种近似对绝大多数情况都很不错,但它完全忽略了质量效应。

                            Esposito认为,其他研究声波的学者忽略了这个效应,可能是因为他们极少考虑和引力的相互作用。然而,他和同事们是高能物理学家。“我觉得这有助于持有不同的心态?#20445;?#20182;说。

                            新的计算表明,在绝大多数材?#29616;校?#26222;通声波携带的质量,等于声波的能量,乘以一个和声速跟介质质量密度有关的因子。并且声波携带的质量是负的(译者双注:参见相关蛋文丙,以及相关蛋文丁)。它是一种质量损?#27169;?#32780;不是质量增益。因此,引力场中的声波应该会漂起来一些,与水中的浮体类似。

                            但作者也承认,还有更多工作要做,以找到质量流的正确物理解读。作者提到,对于流体,这个效应似乎是说,某一小部分粒子必须与声波传播反向运动。然而,这个想法在固体中就不太?#23578;?#20102;。

                            “我们相信这些结论?#20445;琋icolis说,“因为描述固体和液体的数学是非常相似的。但要想在微观层面上解读固体中的结论,?#25925;?#35753;我们很困惑。”

                            “这?#27604;?#20986;人意料?#20445;?#21345;耐基梅隆大学的高能物理学家Ira Rothstein说,“你会觉得,像这种经典物理中的结果,已经完全被看透了。希望很快就有人去测一下这个效应。”

                            他同时也提出了一种固体中效应的可能的物理解读。至少在达到?#27934;?#30340;表面以前,弹性压力波可以不断把很少的质量往同一个方向推动。Rothstein说,理解在固体表面发生了什么,将是正确解读质量流的关键。

                            研究者希望,这个效应很快就能被探测?#20581;?#20030;例来说,他们估计,在超冷原?#26377;?#25104;的Bose-Einstein凝聚体(译者叒注:参见相关蛋文戊)中,声波可以携带系统总质量的一千分之一,这已经能接近目前探测技术的极限。放个卫星的话,地震产生的强烈声波穿过地壳,它们的质量可以达到一千亿公斤,应该能被敏感的重力监测设备记录下来。

                            研究发表在?#27573;?#29702;评论快报》上。

                            原文作者:工作于英国威尔士?#22836;?#22269;诺曼底的自由职业科学作家Mark Buchanan
                            原文日期:2019年3月1日
                            本文译自 Physics,由译者 cmp0xff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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