Физики выяснили, как звук может распространяться в вакууме

При определенных обстоятельствах звук может проходить в идеальном вакууме. Теперь два физика выяснили, какими должны быть эти условия. Жуоран Генг и Илари Маасилта из Университета Ювяскюля в Финляндии говорят, что их открытие представляет собой первое строгое доказательство полного акустического туннелирования в вакууме. Новое исследование опубликовано в журнале Communications Physics.

Для этого понадобятся два пьезоэлектрических материала, способных превращать движения в напряжения (и наоборот). Объекты должны быть разделены промежутком, который меньше длины волны звука, который вы хотите послать, который затем полностью перепрыгнет — или «туннелирует» — через это пространство.

О туннелировании акустических волн известно с 1960-х годов, но ученые начали исследовать это явление относительно недавно, а это значит, что у пока нет хорошего понимания того, как оно работает.

Генг и Маасилта работали над исправлением этого, сначала описав формализм для изучения акустического туннелирования, а теперь применив его.

Для распространения звуку требуется среда, через которую он проходит. Звук генерируется вибрациями, которые вызывают вибрацию атомов и молекул в среде; эта вибрация передается соседним частицам. Мы чувствуем эти вибрации через чувствительную мембрану в наших ушах.

Идеальный вакуум – это полное отсутствие среды. Поскольку нет частиц, которые могли бы вибрировать, звук не должен распространяться.

Но есть лазейки. То, что считается вакуумом, все еще может вибрировать электрическими полями, что делает пьезоэлектрические кристаллы интригующим материалом для изучения звука в пустых пространствах.

Это материалы, которые преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот. Другими словами, если вы приложите механическое усилие к кристаллу, он создаст электрическое поле. И если вы подвергнете кристалл воздействию электрического поля, кристалл деформируется. Это известно как обратный пьезоэлектрический эффект.

Звуковая вибрация вызывает механическое напряжение. Используя оксид цинка в качестве пьезоэлектрических кристаллов, Генг и Маасилта обнаружили, что кристалл может преобразовывать это напряжение в электрическое поле при соблюдении определенных условий.

Если в радиусе действия первого находится второй кристалл, он может преобразовать электрическую энергию обратно в механическую — и таким образом звуковая волна прошла через вакуум. Для этого два кристалла должны быть разделены промежутком, не превышающим длину исходной акустической волны.

И эффект масштабируется с частотой. Пока вакуумный зазор соответственно увеличен, даже ультразвуковые и гиперзвуковые частоты могут туннелировать сквозь вакуум между двумя кристаллами.

Поскольку это явление аналогично квантово-механическому эффекту туннелирования, результаты исследования могут помочь ученым в изучении квантовой информатики, а также других областей физики.

«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда полная энергия волны прыгает через вакуум со 100-процентной эффективностью, без каких-либо отражений», — говорит Маасилта. «Таким образом, это явление может найти применение в микроэлектромеханических компонентах (MEMS, технологии смартфонов) и в контроле тепла».