Физики говорят, что звуковые волны могут нести отрицательную массу

В новом исследовании ученые утверждают, что теоретически звуковые волны могут нести массу, а это означает, что на них также влияет гравитация.

Ранее исследователи из Колумбийского университета и Университета Карнеги Меллон показали, что фононы могут иметь массу в сверхтекучей жидкости (жидкость, которая течет без трения).

Фононы — это возбуждения, которые соответствуют коллективным колебаниям атомов внутри молекулы или кристалла или, другими словами, фонон является квантом колебательного движения атомов кристалла.

«Квант» относится к наименьшей неделимой части, какой-либо величины в физике. Например, квант света — это фотон (наименьшее количество света). Точно так же с фононом, когда вы применяете квантовую механику к решетчатой структуре кристалла вещества через который проходят звуковые волны.

В своем новом исследовании ученый из Колумбийского университета Анджело Эспозито и его коллеги полагались на эффективную теорию поля, чтобы показать, что фонон может иметь массу не только в сверхтекучей жидкости, но и в других типах материалов, включая жидкости и твердые вещества комнатной температуры; даже в воздухе, основной среде, через которую распространяются звуковые волны.

Исследование не только противоречит распространенному представлению о том, что фононы безмассовые, но и предполагает, что они несут отрицательную массу. Нечто с отрицательной массой также подразумевает отрицательную гравитацию, а это означает, что оно отталкивает другую материю вокруг себя. Фононы, имеющие отрицательную массу, подразумевают, что их траектория будет постепенно удаляться от гравитационного поля, например, Земли. Что касается воды, исследователи подсчитали, что фононы, проходящие через такую среду, будут дрейфовать примерно на один градус через каждые 15 километров, что делает измерение чрезвычайно сложным.

«В гравитационном поле фононы медленно ускоряются в направлении, противоположном тому, которое можно ожидать, скажем, от падения кирпича», — сказал Рафаэль Кричевский, аспирант по физике в Колумбийском университете.

Однако эта масса чрезвычайно мала и сравнима с массой атома водорода, около 10^–24 грамма. Это еще одна сложность для измерения, хотя теоретически это возможно сделать. По словам исследователей, в настоящее время у нас нет необходимых технологий для измерения массы фононов. Тем не менее они предполагают экспериментальную установку, где сверхточный синхронизатор будет обнаруживать небольшую кривизну пути фонона.

Хотя звуковые волны, несущие массу, не влияют на нашу повседневную жизнь, это понятие имеет определенные практические последствия в науке. Например, в плотных ядрах нейтронных звезд звуковые волны движутся почти со скоростью света — это много энергии, а это означает, что антигравитационная звуковая волна должна оказывать существенное влияние на поведение звезды.

Результаты появились в журнале Physical Review Letters.