音とは何ですか？それはどこから来たのですか?

「ディンリンリン――」

朝一番の目覚まし時計のピリッとした音に始まり、足音、水の流れる音、話し声など、さまざまな音が次から次へと耳に流れ込んできます。寝ているときを除いて、私たちはほぼ常にその音を聞くことができますが、その音とは一体何なのでしょうか?それはどうやって起こったのですか?

音は触ることも見ることもできませんが、間接的に「触って」見る方法があります。おもちゃの太鼓を取り出し、左手を太鼓の片側に置き、右手のドラムスティックで反対側を強く叩いてみましょう。同時に、ドラムヘッドを注意深く観察します。感じられますか？

はい、ドラムのヘッドは振動しており、それが音です。つまり、物体の振動によって生成される音波です。 「ドンドンドン」という音を出す太鼓が「音源」、つまり音の出所です。しかし、振動するドラムによって生成された音波はどのようにして私たちの耳に届くのでしょうか?

ドラムと私たちをつなぐ電話線はありませんが、音の「伝達者」は実際には私たちの周りのあらゆる場所、つまり空気にあります。空気中には窒素や酸素などの気体分子がたくさん存在します。ドラムの振動が近くのガス分子の振動を引き起こし、リレー競技のように音波が周囲に伝わり、私たちの耳にも伝わります。

私たちの耳には「蛇の太鼓」とも呼ばれる半透明の膜である鼓膜があります。音波が外耳道を通過すると、外耳道に当たって振動を引き起こします。次に、鼓膜は振動を耳小骨に伝え、最終的に蝸牛内の液体に伝え、液体の変動を引き起こします。この変動は神経細胞によって神経インパルスに変換され、脳の聴覚神経中枢に伝達され、私たちは音を聞くことができます。

マクロの世界では、空気、水、固体はすべて音の伝播の媒体として機能します。媒体がなければ音は伝わりません。これを最初に発見したのは、17 世紀のイギリスの物理学者ロバート・ボイルでした。

当時、彼は非常に有名な実験を行いました。ボイルは大きなガラスケースの中に目覚まし時計を置いて、鳴り続けていました。ガラスカバーが邪魔になっても、目覚まし時計の音は誰もがはっきりと聞こえます。すると、ボイルはマジックを披露し、目覚まし時計を止めたのです！

彼は真空ポンプを使ってガラスカバー内の空気を吸い出しました。空気がだんだん少なくなるにつれて、目覚まし時計の音もだんだん小さくなり、ついにはほとんど聞こえなくなりました。しかし、ガラスカバーが開けられるとすぐに、警報が再び鳴り始めました。

今では、音の伝播には媒体が必要であることが分かっています。私たちの日常生活において、音の伝播に最も重要な媒体は空気です。

この原理を利用して防音窓が作られます。両面ガラスで作られており、中央はほぼ真空になっており、音波に隙間ができて、窓の反対側に音波が伝わらないようになっています。

マクロの世界では音の伝播には媒体が必要ですが、ミクロの量子の世界ではこの規則は当てはまりません。つい最近、科学者たちは真空でも非常に短い距離で音を伝達できることを発見しました。

実際のところ、真空は空ではありません。原子や分子などの物理的な粒子は存在しませんが、電子が形成する電場に似た、「仮想粒子」で構成された量子場が存在します。それらは、水の波によってかき混ぜられた小さな水滴が振動し、跳ね上がり、落ちていくのと同じように、絶えず生成され、消えていきます。この現象は量子ゆらぎと呼ばれます。科学者たちは、真空中の 2 つのフィルムが互いに非常に接近している場合、一方のフィルムの振動が量子ゆらぎを通じてもう一方のフィルムに伝達され、音波が真空を通過することを発見しました。

しかし、この現象は今のところ、素晴らしい量子の世界に限定されています。私たちのマクロな世界では、音を聞くためにはやはり媒体が必要です。

参考文献:

Fong, KY、Li, H.、Zhao, R. 他（2019年）。量子ゆらぎによる真空中のフォノン熱伝達。ネイチャー576、243-247

著者:ミラー

評者: 張玄中 (ポピュラーサイエンスライター、中国物理学会会員)