声波携带质量

即使忽略广义相对论，根据这个理论，声波也会携带少量质量。

根据一项最新的理论研究，普通声波在其传播过程中携带少量质量。该理论假设牛顿条件成立，因此这个效应和量子理论或相对论中的质能等效无关。研究人员尚未就其数学结果给出明确的物理解释，但他们说，这个猜想应该可以检验，例如冷原子实验，也可能是在地震观测中。

去年，美国纽约哥伦比亚大学的高能物理学家Alberto Nicolis和现于匹兹堡卡耐基梅隆大学的Riccardo Penco使用量子场论分析了声波通过超流氦传播的行为(译者初注：参见相关蛋文甲)。意外的是，他们发现声波携带少量质量，且不仅是因为Einstein著名的质能方程(译者又注：参见相关蛋文乙)。二人组发现，声子，作为声波的量子单位，其与引力场相互作用的方式，要求它们在运动中携带质量。

现在，Nicolis和其他两位理论学家把分析延伸到更常见的材料中，如液体或固体，并也得到了一样的结论。对于水中时长一秒、功率一瓦特的声波，其质量大约为0.1毫克。“这真真是人们日常经验中的引力质量”，工作于瑞士洛桑联邦理工学院(译者再注：猜猜隔着千山万水的他们是怎么认识的)的团队成员Angelo Esposito说，“这就是随着声波一起运动的物理系统的质量的一部分，从一处被搬运到了另一处。”

大多数物理学家认为，声波携带能量而非质量，这意味着它们不会产生任何引力场，如果忽略广义相对论的话(译者还注：在牛顿引力中，只有质量会产生引力场；在广义相对论中，不仅是质量，能量也会“产生引力场”)。团队表示，他们的分析能揭示新现象，是因为分析超越了通常用于研究声波的简单的线性化模型。在后者中，以材料的位移为例，它通常是正比于施加的力(译者加注：想象一个弹簧测力计，或者弹簧挂秤：拉长的程度正比于施力大小)。Nicolis说，虽然这种近似对绝大多数情况都很不错，但它完全忽略了质量效应。

Esposito认为，其他研究声波的学者忽略了这个效应，可能是因为他们极少考虑和引力的相互作用。然而，他和同事们是高能物理学家。“我觉得这有助于持有不同的心态”，他说。

新的计算表明，在绝大多数材料中，普通声波携带的质量，等于声波的能量，乘以一个和声速跟介质质量密度有关的因子。并且声波携带的质量是负的(译者双注：参见相关蛋文丙，以及相关蛋文丁)。它是一种质量损耗，而不是质量增益。因此，引力场中的声波应该会漂起来一些，与水中的浮体类似。

但作者也承认，还有更多工作要做，以找到质量流的正确物理解读。作者提到，对于流体，这个效应似乎是说，某一小部分粒子必须与声波传播反向运动。然而，这个想法在固体中就不太可行了。

“我们相信这些结论”，Nicolis说，“因为描述固体和液体的数学是非常相似的。但要想在微观层面上解读固体中的结论，还是让我们很困惑。”

“这当然出人意料”，卡耐基梅隆大学的高能物理学家Ira Rothstein说，“你会觉得，像这种经典物理中的结果，已经完全被看透了。希望很快就有人去测一下这个效应。”

他同时也提出了一种固体中效应的可能的物理解读。至少在达到远处的表面以前，弹性压力波可以不断把很少的质量往同一个方向推动。Rothstein说，理解在固体表面发生了什么，将是正确解读质量流的关键。

研究者希望，这个效应很快就能被探测到。举例来说，他们估计，在超冷原子形成的Bose-Einstein凝聚体(译者叒注：参见相关蛋文戊)中，声波可以携带系统总质量的一千分之一，这已经能接近目前探测技术的极限。放个卫星的话，地震产生的强烈声波穿过地壳，它们的质量可以达到一千亿公斤，应该能被敏感的重力监测设备记录下来。

研究发表在《物理评论快报》上。

原文作者：工作于英国威尔士和法国诺曼底的自由职业科学作家Mark Buchanan
原文日期：2019年3月1日
本文译自 Physics，由 cmp0xff 编辑发布。