Ученые впервые получили доказательства, что звуковые волны являются носителем массы

Когда мы думаем о звуковых волнах, мы думаем о невидимых колебаниях, распространяющихся в воздухе, которые, согласно физической теории, не имеют никакой массы. Но такое представление о звуке, можно так сказать, уже устарело, недавно группе ученых удалось получить новые доказательства, что звуковые частицы могут содержать крошечное количество массы. А эта масса, невзирая на ее малую величину, может производить свои собственные гравитационные поля, которые будет необходимо учитывать при некоторых научных исследованиях и изучении космического пространства.

© Pobytov/iStock

Давайте проведем простой эксперимент — ударьте по мячу, придав ему некоторое количество дополнительной энергии. Согласно теории Эйнштейна, придав ускорение мячу, вы дали ему крохотную часть дополнительной массы. Теперь представьте, что в роли мяча выступает крошечная частица, а в роли удара — звуковая волна, и над этим камнем преткновения физики «ломали копья» в течение нескольких десятилетий, пытаясь выяснить, влияет ли дополнительный импульс от звуковой волны на общую массу колеблющейся частицы.

Ученые из Колумбийсого и Пенсильванского университетов занимались исследованиями вопросов, связанных с поведением и рассеиванием звуковых волн, распространяющихся в среде сверхтекучей жидкости, жидкого гелия. Первые из проведенных ими экспериментов показали, что звук имеет ненулевое значение массы и, благодаря этому, его движение попадает под влияние глобального гравитационного поля, силы земного притяжения в данном случае.

Уровень обнаруженных учеными эффектов столь мал, что его проявления никак не могут стать ощутимыми на Земле, они могут проявляться в весьма чрезвычайных условиях, когда порождаемый звездный «рев» движется в среде чрезвычайно плотных объектов, таких, как нейтронные звезды. И тогда эффекты взаимодействия мощных звуковых волн с сильнейшей гравитацией космических объектов может заметно влиять на происходящие в этой области пространства процессы.

В то время, как ученые подтвердили возможность наличия массы у звуковых волн при чрезвычайных условиях, они сейчас готовят ряд экспериментов, которые должны подтвердить, что фононы, звуковые частицы, имеют массу и при нормальных условиях. Это все противоречит существующей теории, согласно которой фононы не имеют массы и гравитационные поля никак не влияют на их движение.

Ключом к решению описанной выше проблемы станет изучение распространения фононов в среде с заданными параметрами. В идеальной среде движение фононов и передача импульса движения могут быть описаны, как одна из форм линейной дисперсии, которая, согласно теоретическим расчетам, придает фононам ненулевую массу. Но в реальности, с которой предстоит столкнуться ученым, все обстоит намного хуже, реальные частицы и жидкости далеки от идеальных, они повинуются массе других физических законов, взаимодействуют и оказывают взаимное влияние на другие близлежащие объекты.

Масса, которую собираются обнаружить ученые у фонона, очень мала. Она находится в том же промежутке, что и количество энергии фотона света, поделенное на квадрат скорости света, другими словами эта масса очень и очень мала. К сожалению, далеко не все теоретические выкладки и подтверждения, выдвинутые учеными, были проверены на практике, для этого потребуется измерить гравитационные изменения на уровне отдельных атомов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это станет возможным в ближайшем будущем, лишь только недавно ученые получили возможность экспериментов с конденсатом Бозе-Эйнштейна в космосе.

Пока еще не до конца ясно, к чему может привести сделанное учеными открытие. То ли в качестве примера его применения, то ли в качестве шутки, ученые использовали свою теорию для того, чтобы «взвесить» такое явление, как землетрясение. Согласно их расчетам, звук, произведенный сильнейшим разрушительным землетрясением, может иметь массу порядка миллиарда килограммов.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters  
Источник: dailytechinfo.org