Почему уз не распространяется в вакууме. Звук в вакууме

Описано новое явление в конденсированных средах — «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через пустоту. За счет него звуковая волна может преодолевать тонкие вакуумные зазоры, а тепло может передаваться через вакуум в миллиарды раз эффективнее, чем при обычном тепловом излучении.

Звуковая волна — это синхронное колебание атомов вещества относительно положения равновесия. Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект, получивший название «вакуумное туннелирование фононов» , был описан сразу в двух статьях, опубликованных в последних выпусках журнала Physical Review Letters . Сразу отметим, что, поскольку колебания кристаллической решетки переносят не только звук, но и тепло, новый эффект приводит также к аномально сильной теплопередаче через вакуум .

Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, добегая до торца одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле (см. рис. 1). В целом это выглядит так, словно отдельный фонон — «квант» колебания кристаллической решетки — перескакивает из одного кристалла в другой и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет.

Авторы открытия использовали для описания эффекта слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перескакивают через энергетически запрещенные области. Однако стоит подчеркнуть, что новое явление вполне описывается на языке классической физики и вовсе не требует привлечения квантовой механики. Оно в чём-то родственно явлению электромагнитной индукции, которое вовсю используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.

Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теор етической статье финских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики — вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле. Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%.

В другой работе физики наткнулись на обсуждаемый эффект, изучая, казалось бы, совершенно технический вопрос: какой температурой обладает самый кончик теплой иглы сканирующего туннельного микроскопа , если ее поднести (без касания) к холодной подложке (см. рис. 2)? С помощью тонких экспериментальных методов они смогли измерить температуру буквально самого последнего атома на острие иглы и обнаружили поразительный факт: этот атом находится при температуре подложки, а не иглы! Это означает, что бесконтактный теплообмен самого последнего атома острия с подложкой шел (через вакуум!) намного сильнее, чем с остальной частью острия.

Обычного теплового излучения, мысль о котором первым делом приходит в голову в таких ситуациях, оказалось совершенно недостаточно. По оценкам исследователей, теплопередача от иглы к подложке была в миллиарды (!) раз более эффективной, чем то, что смогло бы дать тепловое излучение. Этот факт, вкупе с результатами детальных измерений, свидетельствует о том, что и тут имеет место туннелирование фононов через вакуум.

Авторы статьи объясняют динамику этого эффекта так. Любой заряд, поднесенный к металлической поверхности, наводит на ней заряд (в задачах по электростатике его часто моделируют фиктивным зарядом-изображением). Если исходный заряд дрожит, например, за счет тепловых колебаний, то и наведенный заряд тоже будет дрожать примерно с той же частотой и амплитудой (из-за того что электроны намного легче атомов, они успевают «подстроиться» под каждое движение атома). В результате получается, что прямо на поверхности подложки возникает некий электронный сгусток, который дрожит, словно «горячий» атом. Этот сгусток раскачивает колебания атомов на подложке, на них тратится энерги я, она отбирается у электронного сгустка, а значит, и у исходно горячего атома — ведь он «жестко» связан со сгустком электрическими силами! Именно за счет этого механизма самый последний атом на острие умудряется сильно остыть, даже если остальная часть иглы теплая.

По-видимому, для прикладных задач новый эффект будет интересен именно с точки зрения теплопередачи, которая в определенных ситуациях может идти намного эффективнее, чем считалось ранее. Это наблюдение будет очень важным при проектировании микромеханических устройств и при изучении теплопроводности поликристаллических образцов пьезоэлектриков. Кроме того, в микроустройствах, совмещающих пьезоэлектрические и металлические компоненты, в игру могут включиться и электроны. Все открывающиеся при этом перспективы для быстрой передачи энерги и между электронами и фононами из одного вещества в другое через вакуум еще только предстоит изучить.

Источники:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (14 September 2010); текст статьи находится в свободном доступе в архиве е-принтов под номером arXiv:1003.1408 .
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 October 2010).

Наверное, каждый, кто прочитает заголовок, сразу же воскликнет: «Ага! Звук не распространяется в пустом пространстве, это невозможно». Не буду спорить. С другой стороны все мы видели множество забавных фантастических фильмов, где удаленная камера свободно записывала ударные волны от взрывающихся космических кораблей, от проносящихся мимо лазерных или плазменных лучей, иногда даже удавалось услышать потрескивание пламени на обшивках погибших кораблей, при этом вопрос о пламени лучше вообще не поднимать.

А теперь самое интересное. История эта случилась в апреле 1972 года где-то в дороге между Луной и Землей в ходе миссии «Аполлон-16». Лунный модуль находился на последней ступени ракетоносителя, и оставалось дело за малым: осуществить его стыковку с командным модулем. Для стыковки использовалось специальное устройство — probe and drogue docking mechanism . Одна часть этого механизма в виде пневматического штыря на треноге находилась на командном модуле, а другая, в виде воронки — на лунном. В ходе стыковки штырь должен был скользить по стенкам горловины, а затем попасть в отверстие, после чего срабатывало множество фиксирующих механизмов. Все гениальное просто!

Так вот, Томас Матингли, пилот командного модуля, наблюдал за приближением лунного модуля, и внезапно услышал сильный шум, который начал исходить из системы реактивного управления (Reaction Control System, RCS). «Я не слышал шума, когда мы отделялись от третей ступени, не слышал ничего, когда мы осуществляли различные пространственные маневры, все было тихо вплоть до непосредственного сближения. Я клянусь, знаю, что это невозможно, но я клянусь что слышал, как реактивная струя ударялась о лунный модуль перед стыковкой». Это его крайне удивило. Звук не может распространяться в вакууме, но он отчетливо слышал, как струя обтекала лунный модуль. Впоследствии он предположил, что продукты горения из RCS создали легкую разреженную атмосферу вокруг космического корабля, по которой и распространялись звуковые волны.

Он продолжил, «И вы, несомненно, могли увидеть это своими глазами. Я наблюдал, как вибрирует корпус лунного модуля и знал, что это обязано вызывать шум. Я слышал этот шум каждый раз когда мы включали двигатели. Я не был уверен, достаточно ли этой импровизированной атмосферы для того, чтобы отразить ударную волну, которую можно было бы затем услышать. Я не знал как оно на самом деле». Командир миссии Джон Янг поддержал своего пилота. «Думаю, что это возможно, Томас, газ вырывается наружу из двигателей, возвращается обратно и ударяется о корабль. Там действительно много частиц».

Описано новое явление в конденсированных средах - «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через пустоту. За счет него звуковая волна может преодолевать тонкие вакуумные зазоры, а тепло может передаваться через вакуум в миллиарды раз эффективнее, чем при обычном тепловом излучении.

Звуковая волна - это синхронное колебание атомов вещества относительно положения равновесия. Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект, получивший название «вакуумное туннелирование фононов» , был описан сразу в двух статьях, опубликованных в последних выпусках журнала Physical Review Letters . Сразу отметим, что, поскольку колебания кристаллической решетки переносят не только звук, но и тепло, новый эффект приводит также к аномально сильной теплопередаче через вакуум .

Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, добегая до торца одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле (см. рис. 1). В целом это выглядит так, словно отдельный фонон - «квант» колебания кристаллической решетки - перескакивает из одного кристалла в другой и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет.

Авторы открытия использовали для описания эффекта слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перескакивают через энергетически запрещенные области. Однако стоит подчеркнуть, что новое явление вполне описывается на языке классической физики и вовсе не требует привлечения квантовой механики. Оно в чём-то родственно явлению электромагнитной индукции, которое вовсю используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.

Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теоретической статье финских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики - вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле. Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%.

В разделе на вопрос Звук в вакуаме не распространяется? заданный автором Вровень лучший ответ это Свет и звук в вакууме
Почему свет проходит через вакуум, а звук - нет?
Отвечает эксперт SEED Клод Бодуан:
Свет – это электромагнитная волна – сочетание электрических и магнитных полей, для ее распространения не требуется наличие газа.
Звук – это результат действия волны давления. Давлению необходимо присутствие какого-либо вещества (например, воздуха) . Звук распространяется и в других веществах: в воде, земной коре, и проходит через стены, что вы могли заметить, когда шумят соседи.
Говорит Майкл Уильямс:
Свет в своей основе – это электромагнитная энергия, переносимая фундаментальными частицами – фотонами. Такое положение характеризуется как «корпускулярно-волновой дуализм» поведения волны. Это означает, что она ведет себя и как волна, и как частица. При распространении света в вакууме фотон ведет себя как частица, поэтому свободно распространяется в этой среде.
С другой стороны, звук – это вибрация. Звук, слышимый нами – результат вибрации барабанной перепонки уха. Звук, испускаемый радиоприемником – результат вибрации мембраны динамика. Мембрана двигается вперед-назад, заставляя вибрировать находящийся около нее воздух. Колебания воздуха распространяются, достигая барабанной перепонки и заставляя ее вибрировать. Вибрация барабанной перепонки преобразуется мозгом в узнаваемый вами звук.
Таким образом, для вибрации звуку необходимо наличие вещества. В идеальном вакууме вибрировать нечему, поэтому вибрирующая мембрана радиоприемника не может передавать звук.
Добавляет эксперт SEED Натали Фамильетти:
Распространение звука – это движение; распространение света – это радиация или излучение.
Звук не может распространяться в вакууме из-за отсутствия упругой среды. Британский ученый Роберт Бойль обнаружил это экспериментально в 1660 г. Он опустил часы в банку и откачал из нее воздух. Прислушавшись, он не смог различить тиканье.