Распространение звука в вакууме
Распростране́ние зву́ка в ва́кууме — это процесс перемещения акустических волн в нематериальном пространстве. Установлено, что звук не может перемещаться в вакууме из-за отсутствия среды (например, воздуха), а значит, в вакууме невозможно что-то услышать[1].
В открытом космосе также невозможно распространение звуковых волн из-за отсутствия среды для их передачи. Иными словами, звуки, описанные в произведениях массовой культуры о галактических приключениях, в реальном мире не могут быть произведены или услышаны[2].
Однако в 2010 году стало известно, что звуковые колебания могут переходить из одного тела в другое через вакуумный зазор толщиной менее микрона. Это явление стали называть «вакуумное туннелирование фононов»[3].
Вакуумное туннелирование фононов
Этот эффект, работающий за счёт взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем, способствует прохождению звуковой волны через тонкие вакуумные зазоры и циркулированию тепла через вакуум намного более действенным путём, чем при обычном тепловом излучении[3].
Принцип его работы заключается в том, что при достижении колебаниями кристаллической решетки торца одного кристалла возникают изменяющиеся электрические поля около его поверхности. Эти поля проявляются на противоположном конце вакуумного зазора и движут колебания решетки во втором кристалле. Иными словами, фонон, как квантовая звуковая волна, переходит из одного кристалла в другой и продолжает распространяться внутри второго, несмотря на фактическое отсутствие фонона в пространстве между кристаллами[3][4].
Финские исследователи Мика Пруннила и Йоханна Мелтаус, открывшие этот эффект, использовали пьезоэлектрики — вещества, электризующиеся при деформации и деформирующиеся в электрическом поле. Для перемещения фононов через вакуумный промежуток был создан резонанс между фононами, переменными электрическими полями и фононами в другом кристалле[3][4].
Авторы исследования применили в названии явления термин туннелирование, также использующийся в наименовании квантового туннелирования, так как эффект подобен вышеупомянутому в переходе частиц через энергетически запрещённые области[3].
Этот эффект также был обнаружен другой группой учёных, которые пытались выяснить, какую температуру может достичь конец тёплой иглы сканирующего туннельного микроскопа, если её почти вплотную поднести к холодной подложке[3][5].
Примеры отсутствия звука в вакууме
В 1660 году английский физик Роберт Бойль провёл эксперимент, доказывающий отсутствие звука в вакууме. Он взял стеклянный сосуд, опустил в него часы, а после этого удалил из него воздух. В результате опыта звук часового механизма действительно пропал[6].
Другое устройство, демонстрирующее это явление — музейный экспонат «Звук в вакууме», который состоит из небольшого колокола, установленного на плоскости и накрытого куполом из стекла. Работает он похожим образом — звон слышен, когда в пространстве купола есть воздух, а когда он отсутствует — звук пропадает[6].
Примечания
Литература
- Prunnila M., Meltaus J. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields (англ.). — Эспоо, Финляндия: Physical Review Letters, 2010. — № 105, 125501. — С. 8. — doi:10.48550/arXiv.1003.1408.
- Altfeder I., Voevodin A. A., Roy A. K. Vacuum Phonon Tunneling (англ.) // Physical Review Letters. — Air Force Research Laboratory, Ohio, USA: The American Physical Society, 2010. — № 105, 166101. — С. 4. — doi:10.1103/PhysRevLett.105.166101.