音は本当に真空中を伝わるのです！物理学の教科書を書き直す時が来た

友人が真空中でも音が伝わると言ったら、高校の物理をよく学んでいないと慌てて笑わないでください。実際、特定の条件下では、音は真空中を極めて短い距離だけ伝わることがあります。

2023年7月14日、フィンランドのユヴァス​​キュラ大学の物理学者2人、Zhuoran Geng氏とIlari J. Maasilta氏が、最新の研究結果をCommunications Physics誌に発表しました。彼らは、互いに非常に近い（約100ナノメートル）2つの酸化亜鉛（ZnO）結晶間の極めて短い真空音伝播を初めて達成した。つまり、音は真空中でも実際に伝わるということになります。

なぜ真空中では音が伝わらないのでしょうか?

中学校の物理の教科書では、音が伝わるには媒体が必要であるとずっと教えられてきました。音を伝播する媒体は、私たちが呼吸する空気、水、鋼鉄などの気体、液体、固体です。宇宙は媒体のない真空環境なので、真空中では音は伝わりません。

クラドニパターン: 音の伝播を視覚化します。画像出典: ウィキメディア

高校の授業では、物理の先生がさらに説明します。最初に振動する物体は音源と呼ばれ、音は音源の振動によって生成される機械的な波です。機械波は、媒体の連続的な振動によって伝播します。

もっとわかりやすく言えば、音の伝播の過程は水の波紋のようなものです。ここで滴り落ちる水滴が「音源」、常に振動している水面が「媒体」、遠くの波紋が「音」です。言い換えれば、音は機械的な波として、媒体が振動するにつれて広がり続け、その伝播を完了します。

音の伝播の過程は水の波紋のようなものです。ギャラリー内の写真は著作権で保護されています。これらの写真を転載したり使用したりすると著作権上の紛争が発生する可能性があります。

そのため、媒体が存在しない真空環境では音は伝播しません。

電磁波によって伝達されます。

音は機械的な波であるため、通常の条件下では真空中を直接伝播することはできません。しかし、宇宙ステーション内の宇宙飛行士との音声通信を維持する場合など、真空中で音を送信しなければならない場合も多々あります。

実は、高校の物理の先生は、可視光や電波などはすべて電磁波であり、電磁波の伝播には媒体は必要ないので、真空中でも伝播できるとも言っていました。このように、機械波を電磁波に変換し、その後再び機械波に戻すことで、音を真空中で効果的に伝播させることができます。

音波は真空の隙間を通過します（芸術的なイラスト）。画像出典: サイエンスアラート

実際、この間接的な方法は神秘的なものではなく、私たちの生活の中に常に存在してきました。例えば、マイクを使って音を電気信号（機械波→電磁波）に変換し、その電気信号が電波の発生を刺激して情報伝達（電磁波）を完了します。最後に、電磁波を受信して​​電気信号を生成し、再び音に変換します（電磁波→機械波）。

この間接的な音声変換方法により、地上にいても、中国の宇宙飛行士翟志剛氏の「宇宙船を出て、気分がいい！」という言葉を聞くことができます。

しかし、電磁波の助けを借りたこの間接的な音の伝播方法では、物理学者の心の中の悔しさをまだ埋め合わせることはできません。たとえ真空中で非常に短い距離であっても、音が真空中で伝播できれば良いでしょう。

真空状態で試してください。

音は真空環境では長距離伝搬できませんが、真空距離が十分近いと素晴らしいことが起こります。音は真空中でも極めて短い距離伝搬できるのです。
実際、1966 年にはすでに物理学者たちは大胆に次のように提唱していました。量子力学によるミクロ世界の説明によれば、真空の距離が十分に近い場合 (数百ナノメートルのオーダー)、音は依然として一定の確率で真空の隙間を直接通過し、完全な真空伝播が完了する。音が極めて短い真空区間を伝わるというこの仮説は、「音のトンネル効果」としても知られています。

しかし、「サウンド トンネリング」を実現するのはそれほど簡単ではありません。特定の材料と複雑な実験方法が必要です。一部の物理学者は「音のトンネル効果」を実現していますが、トンネル効果の効率は高くありません。

幸運なことに、耿卓然氏とイラリ・マシルタ氏は、2つの酸化亜鉛（ZnO）結晶を十分に近づけて配置すると、音が一方の結晶からもう一方の結晶に伝わり、今度はトンネル効率が100％に達することを偶然発見しました。

上部の ZnO 結晶と下部の ZnO 結晶の間では、音は真空中の非常に短い距離を伝播します。画像出典：参考文献[1]

これは、酸化亜鉛（ZnO）結晶が外部圧力を受けると電界を発生する特殊な圧電材料であるためです。電界の作用により、酸化亜鉛 (ZnO) 結晶も応力により変形します。

したがって、結晶に音が加わると、結晶は電界を発生させる力を受け、それに応じて他の結晶の電界も変化します。このようにして、もう一方の結晶は電界の作用によって強制的に振動し、元の音が再現されます。

結論

科学の魅力は、人間の既存の認識を絶えず覆し、世界に無限のインスピレーションをもたらすことにあります。音の伝播に関するこの新たな発見は、物理学者が量子力学の基本法則をより深く理解するのに役立つだけでなく、新しい分野への進出、新しい技術の開発、スマートフォンの通信や他の音声デバイスの微小電気機械部品への新しい技術の適用にも役立ちます。

参考文献

[1] Geng Z、Maasilta I J.圧電結晶間の音波の完全トンネル[J]。コミュニケーション物理学、2023年、6(1):178。

[2] Kaliski S. 2つの圧電体間の非接触接合部を横切る超音波の通過[C]//Proc.振動。問題。 1966年、7(2):95-104。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: ルアン・チュンヤン、清華大学物理学科

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者：崔英浩