Τα ηχητικά κύματα εκτός από ενέργεια μεταφέρουν και μάζα ;
Σύμφωνα με μια νέα θεωρητική μελέτη [Gravitational Mass Carried by Sound Waves], κατά την διάδοση των ηχητικών κυμάτων μεταφέρεται και μια μικρή ποσότητα βαρυτικής μάζας. Η θεωρία αυτή αναπτύχθηκε στα πλαίσια της νευτώνειας φυσικής, και το αποτέλεσμα δεν οφείλεται ούτε στην κβαντική θεωρία ούτε στην ισοδυναμία μάζας-ενέργειας της σχετικότητας.
Ένα ηχητικό κύμα όχι μόνο επηρεάζεται από τη βαρύτητα αλλά παράγει επίσης ένα μικροσκοπικό βαρυτικό πεδίο, μια πτυχή που δεν λαμβανόταν υπόψιν μέχρι σήμερα. Οι ερευνητές δεν διαθέτουν ακόμα μια ξεκάθαρη φυσική ερμηνεία των μαθηματικών τους αποτελεσμάτων τους, αλλά λένε ότι μπορεί να έχουν ενδιαφέρουσες πειραματικές επιπτώσεις. Η ιδέα τους θα μπορούσε να επαληθευθεί πειραματικά με υπερ-ψυχρά άτομα, ή πιθανώς παρατηρώντας τους σεισμούς.
Πριν από έναν χρόνο οι φυσικοί υψηλών ενεργειών Alberto Nicolis και Riccardo Penco χρησιμοποίησαν την κβαντική θεωρία πεδίου για να αναλύσουν την συμπεριφορά των ηχητικών κυμάτων που διαδίδονται στο υπερ-ρευστό ήλιο.
Προς έκπληξή τους, διαπίστωσαν ότι τα κύματα μεταφέρουν μια μικρή ποσότητα μάζας, χωρίς να πάρουν υπόψη τους τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν που συνδέει την μάζα με την ενέργεια.
Βρήκαν ότι τα φωνόνια, οι κβαντικές μονάδες των ηχητικών κυμάτων, αλληλεπιδρούν με το βαρυτικό πεδίο έτσι ώστε να απαιτείται από αυτά να μεταφέρουν μάζα καθώς κινούνται.
Ο Nicolis και οι συνεργάτες του επέκτειναν την ανάλυση σε ηχητικά κύματα που κινούνται σε πιο οικεία υλικά, υγρά ή στερεά, βρίσκοντας το ίδιο αποτέλεσμα. Στη διάρκεια ενός δευτερολέπτου, ένα ηχητικό κύμα ενός Watt σε νερό, η ποσότητα μάζας που μεταφέρεται είναι περίπου 0,1 mg.
«Πρόκειται για την βαρυτική μάζα που βιώνουμε καθημερινά», λέει το μέλος της ομάδας Angelo Esposito. «Είναι απλά ένα κλάσμα της συνολικής μάζας του συστήματος που ταξιδεύει μαζί με το κύμα και μετατοπίζεται από το ένα μέρος στο άλλο».
Οι περισσότεροι φυσικοί υπέθεταν ότι τα ηχητικά κύματα μεταφέρουν ενέργεια αλλά όχι μάζα, που σημαίνει ότι δεν θα δημιουργούσαν κανένα βαρυτικό πεδίο (αγνοούμε την γενική σχετικότητα). Η ανάλυση των Esposito, Krichevsky, και Nicolis αποκάλυψε το φαινόμενο διότι πηγαίνει πέραν των απλοϊκών γραμμικών μοντέλων που συνήθως χρησιμοποιούνται στη μελέτη ηχητικών κυμάτων, όπου, για παράδειγμα, η μετατόπιση ενός ελαστικού υλικού είναι πάντα ανάλογη της δύναμης που ασκείται. Ενώ η προσέγγιση αυτή είναι πολύ καλή για τις περισσότερες των περιπτώσεων, απουσιάζει πλήρως το φαινόμενο μεταφοράς της μάζας.
Σύμφωνα με τον Esposito οι ερευνητές που μελετούν ηχητικά κύματα αγνοούν το φαινόμενο, επειδή σπάνια παίρνουν υπόψιν τους τις αλληλεπιδράσεις με τη βαρύτητα.
Ο νέος υπολογισμός δείχνει ότι για τα συνηθισμένα ηχητικά κύματα στα περισσότερα υλικά η μεταφερόμενη μάζα ισούται με την ενέργεια του ηχητικού κύματος πολλαπλασιασμένη με έναν παράγοντα που εξαρτάται από την ταχύτητα του ήχου και την πυκνότητα μάζας του μέσου. Και η μάζα που μεταφέρεται από ηχητικά κύματα αποδεικνύεται αρνητική. Είναι μια ελάττωση της μάζας, παρά μια προσθήκη μάζας. Έτσι τα ηχητικά κύματα σε ένα βαρυτικό πεδίο πρέπει να «πλέουν» προς τα πάνω, όπως οποιοδήποτε ελαφρό αντικείμενο στο νερό.
Αλλά οι συγγραφείς παραδέχονται ότι απαιτείται περισσότερη δουλειά για να βρουν τη σωστή φυσική ερμηνεία της ροής μάζας. Για τα υγρά, οι ερευνητές σημειώνουν ότι το φαινόμενο φαίνεται να υποδηλώνει ότι κάποιο μικρό κλάσμα σωματιδίων πρέπει να κινείται αντίθετα με την κίνηση του ηχητικού κύματος. Όμως αυτή η ιδέα φαίνεται λιγότερο πιθανή για τα στερεά.
«Εμπιστευόμαστε τα αποτελέσματα», λέει ο Nicolis, «επειδή τα μαθηματικά που περιγράφουν τα στερεά και τα υγρά είναι πανομοιότυπα. Αλλά η προσπάθεια ερμηνείας αυτών των αποτελεσμάτων σε μικροσκοπικό επίπεδο για τα στερεά προς το παρόν αποτυγχάνει.»
«Αυτό είναι σίγουρα εκπληκτικό αποτέλεσμα», λέει ο υψηλο-ενεργειακός φυσικός Ira Rothstein. «Θα πίστευες ότι τέτοια αποτελέσματα στην κλασική φυσική θα ήταν πλήρως κατανοητά. Ας ελπίσουμε ότι το φαινόμενο θα μετρηθεί σύντομα πειραματικά. »
Προτείνει επίσης μια πιθανή φυσική ερμηνεία για το φαινόμενο στα στερεά. Ένα κύμα ελαστικής συμπίεσης θα μπορούσε να μετατοπίσει σταδιακά ένα μικρό κομμάτι μάζας προς μία κατεύθυνση, τουλάχιστον μέχρι να φτάσει στην εξωτερική επιφάνεια. Η κατανόηση του τι συμβαίνει στις επιφάνειες ενός στερεού θα είναι απαραίτητη για την σωστή ερμηνεία της ροής μάζας, λέει ο Rothstein.
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι το αποτέλεσμα θα μπορούσε να ανιχνευθεί πειραματικά. Για παράδειγμα, εκτιμούν ότι η μάζα που μεταφέρεται από ένα ηχητικό κύμα σε συμπύκνωμα Bose-Einstein εξαιρετικά ψυχρών ατόμων μπορεί να μεταφέρει έως και το ένα χιλιοστό της συνολικής μάζας του συστήματος, μέσα στα όρια των σημερινών τεχνικών ανίχνευσης. Σε ένα πιο απαιτητικό πείραμα, μελετώντας τα ηχητικά κύματα των σεισμών που ταξιδεύουν στο εσωτερικό της Γης, η μάζα που μετακινείται με αυτά – αν ισχύουν όλα τα παραπάνω – μπορεί να φθάσει τα 100 δισεκατομμύρια χιλιόγραμμα, τα οποία θα μπορούσαν να καταγραφούν από ευαίσθητους βαρυτικούς ανιχνευτές.
πηγή: physicsgg.me
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου