聲波可以攜帶質(zhì)量？

2018年，高能物理學(xué)家Alberto Nicolis和Riccardo Penco在利用量子場論分析聲波通過超流氦的行為時驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些聲波攜帶著少量的質(zhì)量。他們發(fā)現(xiàn)，在聲子（聲波的量子單位）與引力場的相互作用中，聲子在運(yùn)動時會傳輸質(zhì)量。

現(xiàn)在，Nicolis與另外兩名理論家將這種研究擴(kuò)展到一些更熟悉的物質(zhì)，例如普通的液體或固體中，得到的結(jié)果幾乎與之前相同：一個長1秒、功率為1瓦特的聲波，攜帶的質(zhì)量大約為0.1毫克。

作為研究人員之一的Angelo Esposito說：”這種質(zhì)量就是我們每天都在經(jīng)歷著的實實在在的引力質(zhì)量，它是系統(tǒng)總質(zhì)量的一小部分，會隨著波的運(yùn)動從一個地方移動到另一個地方?！?

過去，大多數(shù)物理學(xué)家都假設(shè)聲波攜帶的是能量而非質(zhì)量，這意味著它們不會產(chǎn)生任何引力場。新的研究分析所揭示的效應(yīng)超越了通常用于研究聲波的線性模型，那是一種簡化過的模型，例如它們假設(shè)材料的位移總是與施加的力成正比。雖然這種近似在大多數(shù)情況下都是可行的，但它卻完全忽略了質(zhì)量效應(yīng)。Esposito認(rèn)為，這是因為大多數(shù)人在研究聲波時很少考慮聲波與引力的相互作用。

新的計算表明，對大多數(shù)材料中的普通聲波來說，聲波攜帶的質(zhì)量等于聲波的能量乘以一個由聲波速度以及介質(zhì)質(zhì)量密度決定的因子。聲波攜帶的質(zhì)量是負(fù)的，這是一種質(zhì)量的消耗，而不是質(zhì)量的增加。因此，在引力場中的聲波應(yīng)該像任何在水中有浮力的物體一樣向上漂浮。

研究人員表示，要找到對質(zhì)量流的正確物理解釋，他們還有更多的工作要做。他們指出，對于液體來說，這種效應(yīng)似乎意味著一小部分的粒子必須逆聲波的運(yùn)動而行。但這種觀點(diǎn)對固體的可行性要更低。

Nicolis 說：“我們相信這個結(jié)果，因為描述固體和液體的數(shù)學(xué)是非常相似的。但是，目前仍困惑于要如何從微觀層面解釋固體的這些結(jié)果?！?

高能物理學(xué)家Ira Rothstein 對固體中的這種效應(yīng)提出了一種可能的物理解釋。彈性壓縮波可以向一個方向漸進(jìn)地移動一小塊質(zhì)量，至少在抵達(dá)遠(yuǎn)場表面之前會如此。Rothstein 說，理解固體表面發(fā)生的變化對于正確解釋質(zhì)量流來說至關(guān)重要。

研究人員希望這種效應(yīng)能很快被探測到。例如，他們估計在極冷原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)下，一個聲波所能攜帶的質(zhì)量可以達(dá)到系統(tǒng)總質(zhì)量的1/1000，接近目前探測技術(shù)的極限。另外，我們還可以利用地震來進(jìn)行測量：當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的強(qiáng)烈聲波穿過地殼時，與之相關(guān)的質(zhì)量或許可以高達(dá)1000億公斤，這樣就可被敏感的引力探測設(shè)備記錄。