Финские физики подтвердили возможность прохождения звуковых колебаний через вакуумное пространство благодаря эффекту «вакуумного туннелирования фононов».
Звук — это упругие волны, распространяющиеся в средах, содержащих молекулы, атомы или ионы, через вещества в твердом, жидком, газообразном и плазменном состоянии. Происходит передача звука благодаря звуковым волнам, то есть механическим колебаниям в среде, которые поддерживает сама среда.
В космосе звуковые волны не распространяются из-за отсутствия молекул, атомов и ионов.
В 2010-м году ученые из американских университетов выступили против мнения о том, что звук не может распространяться в вакууме. исследованииПредположили, что звуковые колебания могут переходить из одного твердого тела в другое через вакуумный зазор малой толщины. Такой эффект назвали «вакуумным туннелированием фононов».
ФононКвазичастица — квант энергии колебательного движения атомов тела, образующих идеальную кристаллическую решетку. По словам американских физиков, описанный ими эффект возникает из-за взаимодействия электрического поля и звуковых волн в кристалле.
При достижении колебаний кристаллической решетки одной грани кристаллов создаются переменные электрические поля у поверхности, которые обнаруживаются с другой стороны разрыва вакуума. Затем эти поля возбуждают колебания кристаллической решетки в другом кристалле.
Представь: один фонон переходит через пустоту из одного кристалла в другой и распространяется далее внутри него, хотя в промежутке между телами фононы отсутствуют.
В научном труде американские исследователи изложили ряд механизмов, позволяющих добиться эффективного взаимодействия колебания кристалла и электрического поля.
Ученые из Центра нанотехнологий Университета Йювяскюля изучили, как звуковые волны преодолевают пустоту между двумя твердыми объектами. представлены в журнале Communications Physics.
В исследовании приняли участие два идентичных пьезоэлектрических кристалла из оксида цинка. Пьезоэлектрики — материалы, приобретающие электрический заряд при деформации и изменяющие форму под воздействием электрического поля.
Механическое напряжение от звуковых волн пьезоэлектрические кристаллы превращают в электрическое поле. И наоборот: электрическое поле может изменить форму кристаллов.
При столкновении звуковой волны с первым кристаллом электрическое поле, исходящее от него и проникающее в пустоту, меняется, деформируя другой кристалл. Таким образом, звуковая волна переходит через вакуум от одного тела к другому.
Ученые установили кристаллы в специальном устройстве напротив друг друга, отделив их вакуумным зазором. Один из кристаллов преобразовывал электрическую энергию обратно в механическую, и звуковая волна передалась через зазор к другому кристалу. Такой результат был возможен только при соблюдении определённых условий: расстояние между кристаллами не превышало длины начальной звуковой волны.
Финские физики установили, что эффект проявляется при разных звуковых частотах: от «герцевых» и «килогерцевых» до ультразвука (МГц) и гиперзвука (ГГц), лежащих ниже диапазона слышимости человека. С ростом частоты размер вакуумного зазора в эксперименте уменьшался.
Часто волна проникала сквозь расстояние с низкой интенсивностью, но иногда полностью и эффективно, не создавая отблесков. объяснил Илари Маасилта, соавтор исследования.
Этот эксперимент не является прямым доказательством распространения звуковых волн в вакууме, но его результаты могут быть полезны в других научных областях, например, при создании микроэлектромеханических компонентов для барометров, датчиков угловых скоростей, гироскопов и акселерометров.
Авторы работы не проводили экспериментов по передаче инфразвука. Если для него работают те же принципы, то достаточно большие пьезокристаллы могут передавать звуковые волны в космическом вакууме на значительные расстояния, так как длина инфразвуковой волны может достигать десятков метров.