聲音真的能通過真空傳播！你的物理書又該改寫了

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(xué)物理沒學(xué)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(nèi)傳播。

2023 年 7 月 14 日，來自芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)的兩位物理學(xué)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(fā)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(xiàn)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(zhì)才能傳播。傳播聲音的介質(zhì)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(zhì)的真空環(huán)境，因此聲音無法在真空中傳播。

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(jìn)一步地解釋道：最初發(fā)出振動的物體叫作聲源，而聲音就是由聲源振動產(chǎn)生的一種機(jī)械波，機(jī)械波需要依靠介質(zhì)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(zhì)”，而遠(yuǎn)處泛起的漣漪就是“聲音”。也就是說，聲音作為一種機(jī)械波，會隨著介質(zhì)的振動而不斷向四周擴(kuò)散，從而完成自身的傳播。

聲音傳播的過程就像水中激起的漣漪。圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛圖片

因此，對于不存在任何介質(zhì)的真空環(huán)境而言，聲音是無法實現(xiàn)傳播的。

借點電磁波就可以傳

聲音作為一種機(jī)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(xué)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(zhì)，因此可以在真空中傳播。這樣一來，聲音便能夠通過將機(jī)械波轉(zhuǎn)化為電磁波，再轉(zhuǎn)為機(jī)械波的方式，實現(xiàn)在真空中的有效傳播。

聲波穿過真空間隙（藝術(shù)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(fēng)將聲音轉(zhuǎn)化成為電信號（機(jī)械波→電磁波），而電信號會激發(fā)產(chǎn)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(zhuǎn)化成為聲音（電磁波→機(jī)械波）。

通過這種聲音間接轉(zhuǎn)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(xué)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(huán)境中傳播，但是當(dāng)真空距離足夠近的時候，就會發(fā)生奇妙的事情——聲音仍然有可能在極短距離的真空內(nèi)傳播。
其實早在 1966 年，物理學(xué)家就大膽提出：根據(jù)量子力學(xué)對于微觀世界的描述，當(dāng)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(shè)，也被稱為“聲音隧穿”。

但是，要想實現(xiàn)“聲音隧穿”并不那么簡單，它需要特定的材料以及復(fù)雜的實驗方法，雖然有的物理學(xué)家實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(dá)到了 100%。

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(xiàn)[1]

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

因此，當(dāng)聲音施加到一塊晶體上的時候，這塊晶體就會受力產(chǎn)生電場，并導(dǎo)致另外一塊晶體的電場也相應(yīng)發(fā)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(fā)生振動，從而復(fù)現(xiàn)原本的聲音。

結(jié)語

科學(xué)的魅力就在于不斷顛覆人類已有的認(rèn)知，以帶來對這個世界的無限啟發(fā)。這次關(guān)于聲音傳播的全新發(fā)現(xiàn)，不僅可以幫助物理學(xué)家更好地理解量子力學(xué)中的基本規(guī)律，還有望借助該成果去拓展新領(lǐng)域、開發(fā)新技術(shù)，并將新技術(shù)應(yīng)用于智能手機(jī)通信，或者其他語音設(shè)備內(nèi)的微機(jī)電組件中。

參考文獻(xiàn)

[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.

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出品丨科普中國

作者丨欒春陽 清華大學(xué)物理系

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨崔瀛昊