Звукові хвилі можуть переносити масу

251

Протягом багатьох років фізики були впевнені, що звукові хвилі несуть енергію, але не було ніяких доказів того, що вони також несуть масу.
Фізики з Колумбійського університету знайшли більше доказів того, що звукові хвилі несуть масу. У своїй статті, опублікованій в журналі Physical Review Letters, Анджело Еспозіто, Рафаель Кричевський і Альберто Николис описують використання ефективних методів теорії поля для підтвердження результатів, знайдених командою в минулому році, яка намагається виміряти масу, переноситься звуковими хвилями.
Протягом багатьох років фізики були впевнені, що звукові хвилі несуть енергію, але не було ніяких доказів того, що вони також несуть масу. Здавалося, немає жодних підстав вважати, що вони будуть генерувати гравітаційне поле.
Але це змінилося в минулому році, коли вчені знайшли докази того, що звичайне мислення помилково. Вони використовували квантову теорію поля, щоб показати, що звукові хвилі, що рухаються через надтекучий гелій, несуть з собою невелику кількість маси.
Точніше кажучи, вони виявили, що фонони взаємодіяли з гравітаційним полем таким чином, що змушувало їх нести масу, поки вони переміщувалися через матеріал. У своїй новій роботі дослідники повідомляють про свідчення того, що результати справедливі для більшості матеріалів.

Використовуючи теорію поля, вони показали, що звукова хвиля в один ват, яка рухається протягом однієї секунди у воді, буде нести масу приблизно 0,1 міліграма. Вони також відзначають, що маса виявилася частиною загальної маси системи, яка рухалася разом з хвилею, оскільки вона була переміщена з одного місця на інше.
Важливо відзначити, що дослідники фактично не вимірювали масу, переноситься звуковою хвилею, — вони використовували математику, щоб довести, що це відбувається. Для реальних вимірювань вони припускають, що експерименти можуть проводитися зі звуковими хвилями, коли вони рухаються через конденсат Бозе-Ейнштейна, який складається з дуже холодних атомів — така установка повинна показувати достатню масу, переноситься для вимірювання.
Але вони також зазначають, що найкращим підходом може бути вимірювання маси, яку переносять звуковими хвилями, що проходять через Землю як частину землетрусу. Цей сильний звук може нести мільярди кілограмів маси, які можуть бути видні на пристроях, які вимірюють гравітаційні поля.
Трохи раніше, буквально в серпні 2018 року: Можливо, існує «гравітація навпаки»

Світ, яким ми його знаємо, що підкоряється законам Ньютона: той, що летить вгору, потім все одно має впасти вниз. Але команда фізиків з Колумбійського університету висунула теорію, яка перевертає все з ніг на голову. Вона свідчить, що можуть бути частинки з негативною масою, які під дією сили тяжіння рухаються вгору, а не вниз.
Згідно з їх статті, це не якась дивна субатомна частинка, яка володіє незвичайними властивостями, а частинки звуку, які ми чуємо і робимо кожен день. Вони називаються фононами і рухаються проти сили тяжіння. Це дуже дивно, чи не правда? Зрештою, звук не є навіть фізичним об’єктом, так як сила тяжіння може вплинути на нього?
Цей парадокс лежить в основі нової гіпотези – що звукові хвилі дійсно можуть нести масу. Негативну масу. І ця негативна маса створює власні крихітні негативні гравітаційні поля, які підштовхують їх вгору, а не вниз.
Звичайно, треба зробити кілька застережень, щоб обговорювати цю ідею.
По-перше (і найголовніше) ця стаття є чисто теоретичною. Це означає, що дослідники висунули гіпотезу і виконали деякі розрахунки, які показали, що теоретично це може бути правдою. Це не означає, що вони знайшли якісь фізичні докази, що звукові хвилі несуть негативну масу, вони просто показали, що якщо б це було так, це не порушило б нічого іншого у фізиці.

По-друге, документ був опублікований тільки попередньо. Потрібно дочекатися оцінки цих викладок незалежними експертами, перш ніж ми занадто увлечемся.
Тепер, зберігаючи ці пункти в пам’яті, треба сказати, що ця ідея насправді не божевільна.
Ми знаємо, що існують частинки негативною маси, і вони рухаються проти сили в протилежному напрямку, ніж очікувалося. Тільки в минулому році дослідники створили масляну рідину з негативною масою в лабораторії. Так, виходить, що частинки з негативною масою можуть бути реальні. Але звукові хвилі насправді не частинки, чи не так? Звукові хвилі рухаються через речовину і викликають вібрації в молекулах навколо нього, що призводить до того, що ці вібрації передаються і потрапляють на наші барабанні перетинки, щоб ми могли чути.
Але, хоча вони і не є частками в традиційному сенсі, звукові хвилі можуть бути математично описані як частинки, звані фононами. Тим не менш, раніше вважалося, що ці фонони не можуть бути порушені гравітацією або впливати на гравітацію, оскільки вони не переносять масу.
Але більш ранні дослідження лідера команди Альберто Николиса, які були опубліковані в журналі Physical Review Letters в травні, дали деякі експериментальні докази того, що це може бути не так однозначно.

Експеримент проводився в надплинні умовах з нульовою температурою, які представляють собою дивний тип рідини, що рухається без будь-якого опору при температурах, близьких до абсолютного нуля. Николис і його команда повідомляли про те, що в цих умовах траєкторії фононів викривляються вгору, мабуть, у протистоянні ефекту гравітації.
Остання стаття Николиса ґрунтується на ідеї, що фонони генерують якесь негативне гравітаційне поле.
Якщо узагальнювати, то команда змогла математично довести, що класичні звукові хвилі можуть переносити масу, а не тільки в надплинні рідинах або в квантовому світі, але і в реальних умовах. Вони також описують способи експериментальної перевірки цієї ідеї в майбутньому.
І це важливо не тільки тому, що це може змінити наше фундаментальне розуміння звукових хвиль, які існують навколо нас весь час. А ще й тому, що це допоможе описати поведінку таких об’єктів як нейтронна зірка, в ядрах яких звукові хвилі рухаються зі швидкістю світла.