Sóng âm thanh có thể mang khối lượng

Âm thanh mang khối lượng: một lượng nhỏ khối lượng được chuyển cùng với các sóng âm thanh, theo một lý thuyết mới.

Những sóng âm thanh nguyên thủy mang theo chúng một lượng nhỏ khối lượng khi chúng di chuyển, theo một nghiên cứu lý thuyết. Lý thuyết này giả lập các điều kiện theo quy luật Newton, vì thế hiệu ứng này không liên quan đến thuyết lượng tử hay sự tương đương giữa năng lượng và khối lượng theo thuyết tương đối. Dù không có giải thích rõ ràng nào về mặt vật lý cho các kết quả tính toán về toán học, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng ý tưởng này có thể kiểm chứng trong các thí nghiệm với các hạt nhân siêu lạnh, hoặc có lẽ dùng để quan sát của các trận động đất.

Năm ngoái, nhà vật lý năng lượng cao Alberto Nicolis của trường đại học Columbia tại New York và Riccardo Penco, hiện làm việc tại trường đại học Carnegie Mellon (CMU) ở Pittsburgh, đã sử dụng lý thuyết trường lượng tử để phân tích tính chất cảu sóng âm thanh chuyển động qua heli siêu lỏng. Để to their surprise, họ thấy các sóng này có thể mang theo một lượng nhỏ khối lượng, không chỉ bởi vì công thức nổi tiếng về sự cân bằng năng lượng với khối lượng của Einstein. Cả hai đã tìm thấy, các phonon, các khối cơ bản lượng tử của sóng âm thanh, tương tác với một trường hấp dẫn theo cách đòi hỏi chúng vận chuyển khối lượng khi chúng di chuyển.

Hiện tại Nicolis và hai nhà vật lý lý thuyết khác đã mở rộng việc phân tích để sóng âm thanh chuyển động trong nhiều vật liệu tương tự, như chất lỏng hoặc chất rắn, và tìm thấy rất nhiều kết quả tương tự. Trong vòng 1 giây, sóng âm thanh 1 watt trong nước, thì tổng số khối lượng được chuyên chở có thể là 0,1 milligram. “Đây thực sự là khối lượng hấp dẫn (gravitational mass), thứ mà chúng ta trải nghiệm hàng ngày,” Angelo Esposito – Viện Công nghệ liên bang Thụy Sỹ ở Lausanne (EPFL) và là một thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết. “Thật đơn giản là một phần trong tổng khối lượng của hệ đã được truyền với sóng âm thanh đó, được thay thế từ chỗ này sang chỗ khác.”

Phần lớn các nhà vật lý đều tạm coi sóng âm thanh có thể mang năng lượng nhưng không mang khối lượng, điều đó có nghĩa là chúng có thể không sinh ra bất kỳ trường hấp dẫn nào. Nhóm nghiên cứu cho rằng các phân tích của họ tiết lộ hiệu ứng này bởi nó vượt ra ngoài các mô hình tuyến tính đơn giản hóa sử dụng trong nghiên cứu sóng âm thanh, nơi sự thay thế một vật liệu luôn cân xứng với lực được đưa vào một cách chính xác, ví dụ như vậy. Dẫu cho sự gần đúng này phù hợp với phần lớn các mục tiêu nhưng nó lại để lỡ gần như toàn bộ hiệu ứng khối lượng, Nicolis nói.

Esposito giải thích, các nhà vật lý khác nghiên cứu về sóng âm thanh có thể coi nhẹ hiệu ứng này bởi vì họ hiếm khi nghĩ về các tương tác với lực hấp dẫn. Nhưng ông và các đồng nghiệp là các nhà vật lý năng lượng cao nên “tôi nghĩ điều đó giúp cho chúng tôi có một tư duy khác biệt”.

Tính toán mới này chỉ ra là với sóng âm thanh nguyên thủy trong phần lớn các loại vật liệu, khối lượng được mang là cân bằng với năng lượng của sóng âm thanh được nhân lên bởi một yếu tố là phụ thuộc vào tốc độ âm thanh và mật độ khối lượng của vật liệu. Và khối lượng được sóng âm thanh mang theo thành ra là đại lượng âm. Đây là việc rút khối lượng hơn là tăng thêm khối lượng. Vì vậy sóng âm thanh trong một trường hấp dẫn có thể trôi nổi theo hướng đi lên như bất kỳ vật thể nổi trên mặt nước nào.

Nhưng các tác giả thừa nhận là họ không nghiên cứu để tìm ra sự giải thích đúng về mặt vật lý của dòng khối lượng. Với các chất longe, các tác giải cho biết, hiệu ứng này dường như bao hàm cả những phần nhỏ của các hạt phải di chuyển ngược với chuyển động của sóng âm thanh. Nhưng ý tưởng này dường như ít hợp lý với chất rắn.

“Chúng tôi tin tưởng vào các kết quả này,” Nicolis nói, “bởi vì toán học miêu tả chất rắn và chất lỏng đều tương tự nhau. Nhưng ở thời điểm hiện nay thì việc cố gắng giải thích các kết quả đó tại mức độ vi mô của chất rắn thì còn [nhiều điểm gây] khó hiểu.”

“Đây thật sự là một điều đáng ngạc nhiên”, Ira Rothstein – một nhà vật lý năng lượng của của CMU, nói. “Anh có thể nghĩ rằng các kết quả đó như trong vật lý cổ điển đã hoàn toàn được hiểu rõ. Hy vọng là hiệu ứng này sẽ sớm được đo đạc.”

Ông cũng đề xuất một giải thích có thể về mặt vật lý cho hiệu ứng này trong chất rắn. Một sóng của lực ép đàn hồi có thể chuyển một lượng cực nhỏ khối lượng từng chút một theo một hướng, ít nhất cho đến khi khối lượng đó chạm đến bề mặt phía xa. Hiểu được những gì đang diễn ra tại các bề mặt của chất rắn sẽ là điều thiết yếu để giải thích dòng chảy của khối lượng một cách chính xác, Rothstein nói.

Các nhà nghiên cứu hi vọng là hiệu ứng này có thể được chứng minh sớm. ví dụ, họ ước tính khối lượng do sóng âm thanh mang trong một ngưng tụ Bose-Einstein của các hạt nhân cực lạnh có thể là 1/1000 tổng số khối lượng của hệ gần các giới hạn của các kỹ thuật dò hiện nay. Nhiều trận động đất sinh ra một lượng sóng âm thanh truyền qua lớp vỏ trái đất, và khối lượng liên kết với chúng có thể vào khoảng 100 tỷ kilogram, vốn có thể thể được các thiết bị dò sóng hấp dẫn ghi lại được.

Công trình này đã được xuất bản trênPhysical Review Letters.