新研究認為聲波可能具有負質量,在重力場會「向上墜落」

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 16 日 9:15 | 分類 自然科學 follow us in feedly

古典物理學中或許還能找到新的發現。



在古典物理學中,聲波被看做是介質內密度的波動,儘管能量可以使物質來回移動,但聲波並不被認為具有質量,直到近年科學家研究出超流體(superfluid)時,這種觀點才開始出現一些改變。2018 年有研究報告指出,超流氦中的聲波可能以具有質量的方式和重力進行相互作用。

而近日刊載於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的最新論文則是更進一步指出,聲波可能具有質量的情況並不只出現在超流體中,在人們更熟悉的材料如一般液體、固體甚至是空氣本身中傳播的聲波也可能具有重力質量,這代表它們也會像物質一樣對重力場做出響應。

然而研究團隊認為,與一般物質不同,聲波攜帶的是負重力質量。這代表隨著時間的推移,它們的軌跡會逐漸遠離地球等重力來源。研究共同作者 Riccardo Penco 解釋,如果聲子的重力質量是正的,它們應該會下降,但因為重力質量是負的,聲子因此會表現出「向上墜落」的情況。

然而聲子「墜落」的變化程度非常的小,也取決於通過的介質組成,根據團隊的方程式估計,在空氣中每秒攜帶 1 瓦特能量的聲波(相當於巨大雷聲)也只能產生相當於 10 毫克的重力質量,如此微小的變化程度也使其變得非常難以測量。

但團隊認為測量仍然是可行的。研究主要作者、洛桑瑞士聯邦理工學院(EPFL)高等物理學家 Angelo Esposito 解釋,要區分出聲子的質量,人們可以在聲速非常慢的介質中尋找它們,像是在超流氦中聲速便可以降至每秒數百公尺或更低,另一方面,與其尋找外來物質放大微小效果,密切研究自然界極強的聲波來尋找更明顯攜帶負重力質量的跡象也是一種可能性。

由於地震會在岩石中產生聲波,團隊估計達芮氏規模 9 的地震將產生 1 億公噸的重力質量,隨著未來相關技術持續進步,將能有望使用原子鐘和量子重力儀來進行檢測(目前兩者的技術都還不夠靈敏到能檢測地震波的重力場,但未來技術進步將使這成為可能)。

以目前來說,這項發現不太可能會對人們的日常生活產生重大影響,但物理學家認為,光是想到「聲波具有質量」這樣如此根本的可能性已經被忽視了多久時間,便會感到非常有意思。

未參與研究的卡內基美隆大學(CMU)粒子物理學家 Ira Rothstein 指出,雖然無法確定為何以前從未發現,但過去人們確實認為聲波並不會傳播質量,光從這個層面來看,這項研究已經是一個非常了不起的結果。

「有鑑於古典物理學自牛頓以來就一直存在,任何時候你在其中發現什麼新結果,都會覺得它已經被完全摸透了。這項研究顯示如果仔細觀察,即使在經過幾個世紀的領域中你還是能找到新的想法。」

(首圖來源:pixabay

延伸閱讀: