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        1. 聲音真的能通過真空傳播!你的物理書又該改寫了

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          如果有朋友告訴你,聲音能在真空中傳播,請別著急笑話他的中學物理沒學好。事實上,在某些特定的條件下,聲音的確可以在極短距離的真空內傳播。

          2023 年 7 月 14 日,來自芬蘭于韋斯屈萊大學的兩位物理學家耿卓然(Zhuoran Geng)和伊拉里?馬西爾塔(Ilari J. Maasilta)在《通訊-物理》期刊上發表了最新的研究成果,他們在兩塊相距極近(大約 100 納米)的氧化鋅(ZnO)晶體材料之間,首次實現了聲音在晶體之間極短的真空傳播。也就是說,原來聲音真的可以在真空中傳播!

          聲音為啥不能在真空中傳播?

          初中物理課本上早就告訴過我們,聲音需要介質才能傳播。傳播聲音的介質可以是氣體、液體或者固體等,比如我們呼吸的空氣、水或者鋼鐵等。而太空是一種不存在任何介質的真空環境,因此聲音無法在真空中傳播。

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          克拉尼圖形:將傳播中的聲音變得可視化。圖片來源:wikimedia

          而在高中課堂上,物理老師則會更進一步地解釋道:最初發出振動的物體叫作聲源,而聲音就是由聲源振動產生的一種機械波,機械波需要依靠介質的不斷振動才能傳播。

          形象一點來說,聲音傳播的過程就像水中激起的漣漪,這里滴落的水滴就是“聲源”,不斷振動的水面就是“介質”,而遠處泛起的漣漪就是“聲音”。也就是說,聲音作為一種機械波,會隨著介質的振動而不斷向四周擴散,從而完成自身的傳播。

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          聲音傳播的過程就像水中激起的漣漪。圖庫版權圖片,轉載使用可能引發版權糾紛圖片

          因此,對于不存在任何介質的真空環境而言,聲音是無法實現傳播的。

          借點電磁波就可以傳

          聲音作為一種機械波,在一般條件下,自然是無法在真空中直接傳播的。但在很多的時候,我們不得不在真空中傳遞聲音,比如與空間站中的航天員保持語音溝通等。

          其實,中學物理老師還告訴過我們另外一件事,那就是可見光、無線電波等都是電磁波,而電磁波的傳播不需要介質,因此可以在真空中傳播。這樣一來,聲音便能夠通過將機械波轉化為電磁波,再轉為機械波的方式,實現在真空中的有效傳播。

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          聲波穿過真空間隙(藝術圖)。圖片來源:Science Alert

          其實這種間接的方式并不神秘,它一直存在于我們的生活中。比如,我們可以用麥克風將聲音轉化成為電信號(機械波→電磁波),而電信號會激發產生無線電波完成信息傳播(電磁波),最終電磁波被接收生成電信號并且再次轉化成為聲音(電磁波→機械波)。

          通過這種聲音間接轉化的方式,我們即使身處地面,仍然可以聽到中國航天員翟志剛的那句話:“我已出艙,感覺良好!”

          但是,這種聲音借助電磁波來間接傳播的方式,仍然無法彌補物理學家心中的遺憾——如果聲音能夠在真空中傳播,哪怕只是極短的真空距離,也是好事。

          在真空里再試試

          對于聲音而言,雖然它無法在長距離的真空環境中傳播,但是當真空距離足夠近的時候,就會發生奇妙的事情——聲音仍然有可能在極短距離的真空內傳播。
          其實早在 1966 年,物理學家就大膽提出:根據量子力學對于微觀世界的描述,當真空距離足夠近時(百納米量級),聲音仍然會有一定概率直接穿過真空間隔,從而完成完美的真空傳播。這種奇妙的聲音穿過極短真空間隔的假設,也被稱為“聲音隧穿”。

          但是,要想實現“聲音隧穿”并不那么簡單,它需要特定的材料以及復雜的實驗方法,雖然有的物理學家實現了“聲音隧穿”,但隧穿效率并不高。

          幸運的是,耿卓然和伊拉里?馬西爾塔意外地發現,如果將兩塊氧化鋅(ZnO)晶體材料靠得足夠近,那么聲音就可以從其中的一塊晶體傳播到另一塊晶體,而且這次的隧穿效率達到了 100%。

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          在上下兩塊 ZnO 晶體之間,聲音通過極短距離的真空傳播。圖片來源:參考文獻[1]

          這是因為,氧化鋅(ZnO)晶體是一種特殊的壓電材料,當它受到外界施加的壓力時,就會產生電場。在電場作用下,氧化鋅(ZnO)晶體也會受力發生形變。

          因此,當聲音施加到一塊晶體上的時候,這塊晶體就會受力產生電場,并導致另外一塊晶體的電場也相應發生改變。這樣一來,另外一塊晶體就會在電場的作用下,受力發生振動,從而復現原本的聲音。

          結語

          科學的魅力就在于不斷顛覆人類已有的認知,以帶來對這個世界的無限啟發。這次關于聲音傳播的全新發現,不僅可以幫助物理學家更好地理解量子力學中的基本規律,還有望借助該成果去拓展新領域、開發新技術,并將新技術應用于智能手機通信,或者其他語音設備內的微機電組件中。

          參考文獻

          [1] Geng Z, Maasilta I J. Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals[J]. Communications Physics, 2023, 6(1): 178.

          [2] Kaliski S. The passage of an ultrasonic wave across a contactless junction between two piezoelectric bodies[C]//Proc. Vibr. Probl. 1966, 7(2): 95-104.

          策劃制作

          出品丨科普中國

          作者丨欒春陽 清華大學物理系

          監制丨中國科普博覽

          責編丨崔瀛昊

          評論
          無限探索者
          大學士級
          聲音能在真空中傳播,這一發現打開了一個全新的研究領域,隨著進一步研究的展開,我們可以期待看到更多基于聲音傳輸的創新應用的出現。
          2023-09-05
          尖刀情懷永遠跟黨走
          太師級
          聲音可以在晶體之間極短的真空中傳播,顛覆了聲音沒有媒介不能傳播的理論。也許這一試驗對今后的太空聲音傳播有所啟示!
          2023-09-05
          卜和彥
          太師級
          聲音傳播的全新發現,可以幫助物理學家更好地理解量子力學中的基本規律,有望借助該成果去拓展新領域、開發新技術,并將新技術應用于智能手機通信,或者其他語音設備內的微機電組件中,科學的魅力就在于不斷顛覆人類已有的認知,以帶來對這個世界的無限啟發!
          2023-09-05
          韩国女主播裸奶头大尺度,久久久精彩视频,欧美99综合网,国产一级二级三级视频
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