声波可以携带质量？

weixin

　　2018年，高能物理学家Alberto Nicolis和Riccardo Penco在利用量子场论分析声波通过超流氦的行为时惊讶地发现，这些声波携带着少量的质量。他们发现，在声子(声波的量子单位)与引力场的相互作用中，声子在运动时会传输质量。

　　现在，Nicolis与另外两名理论家将这种研究扩展到一些更熟悉的物质，例如普通的液体或固体中，得到的结果几乎与之前相同：一个长1秒、功率为1瓦特的声波，携带的质量大约为0.1毫克。

　　作为研究人员之一的Angelo Esposito说：”这种质量就是我们每天都在经历着的实实在在的引力质量，它是系统总质量的一小部分，会随着波的运动从一个地方移动到另一个地方。“

　　过去，大多数物理学家都假设声波携带的是能量而非质量，这意味着它们不会产生任何引力场。新的研究分析所揭示的效应超越了通常用于研究声波的线性模型，那是一种简化过的模型，例如它们假设材料的位移总是与施加的力成正比。虽然这种近似在大多数情况下都是可行的，但它却完全忽略了质量效应。Esposito认为，这是因为大多数人在研究声波时很少考虑声波与引力的相互作用。

　　新的计算表明，对大多数材料中的普通声波来说，声波携带的质量等于声波的能量乘以一个由声波速度以及介质质量密度决定的因子。声波携带的质量是负的，这是一种质量的消耗，而不是质量的增加。因此，在引力场中的声波应该像任何在水中有浮力的物体一样向上漂浮。

　　研究人员表示，要找到对质量流的正确物理解释，他们还有更多的工作要做。他们指出，对于液体来说，这种效应似乎意味着一小部分的粒子必须逆声波的运动而行。但这种观点对固体的可行性要更低。

　　Nicolis 说：“我们相信这个结果，因为描述固体和液体的数学是非常相似的。但是，目前仍困惑于要如何从微观层面解释固体的这些结果。”

　　高能物理学家Ira Rothstein 对固体中的这种效应提出了一种可能的物理解释。弹性压缩波可以向一个方向渐进地移动一小块质量，至少在抵达远场表面之前会如此。Rothstein 说，理解固体表面发生的变化对于正确解释质量流来说至关重要。

　　研究人员希望这种效应能很快被探测到。例如，他们估计在极冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚态下，一个声波所能携带的质量可以达到系统总质量的1/1000，接近目前探测技术的极限。另外，我们还可以利用地震来进行测量：当地震产生的强烈声波穿过地壳时，与之相关的质量或许可以高达1000亿公斤，这样就可被敏感的引力探测设备记录。

　　原文链接：
　　https://physics.aps.org/articles/v12/23

　　来源：原理微信公众号(ID：principia1687)，作者：Mark Buchanan。