کشفی دیرهنگام در فیزیک کلاسیک: امواج صوتی حامل جرم منفی هستند

شاید تابه‌امروز در این تصور بودید که درک ما از فیزیک کلاسیک در طول چهار قرن پس از کشف قوانین مشهور نیوتنی باید تاکنون به اوج خود رسیده باشد. اما سخت در اشتباه هستید؛ چراکه پژوهش‌‌های جدید به‌‌طرز حیرت‌‌آوری نشان از وجود اسراری دارند که گویا در پس این همه سال هنوز از دیدرس ما پنهان مانده‌‌اند.

در مقاله‌ای که به‌‌تازگی در Physical Review Letters منتشر شده ‌است، گروهی از دانشمندان استدلال کرده‌اند که امواج صوتی دارای جرم هستند و این یعنی صداها مستقیما می‌‌توانند تحت‌تاثیر جاذبه قرا گیرند. آن‌ها می‌‌گویند که فونون‌‌ها (برانگیزش گرآمدی ‌‌شبه‌‌ذراتی که مسئول انتقال امواج صوتی در یک محیط هستند)، ممکن است تحت‌‌تاثیر میدان گرانشی، مقادیر بسیار ناچیزی جرم از خود نشان دهند. آنجلو اسپوزیتو، نویسنده‌‌ی اصلی این مقاله از دانشگاه کلمبیا می‌‌گوید:

اسپوزیتو و همکارانش سال گذشته نیز روی مقاله‌‌ای کار می‌‌کردند که در آن آلبرتو نیکولیس از دانشگاه کلمبیا و ریکاردو پنکو از دانشگاه کارنگی ملون برای اولین‌‌بار این ایده را مطرح کردند که فونون‌‌ها می‌توانند درون اَبَرشاره‌‌ (Superfluid) جرم داشته باشند. بااین‌حال، آخرین مطالعه نشان می‌دهد که این اثر باید برای مواد دیگر نیز صادق باشد؛ از جمله مایعات و جامدات عادی و حتی خود هوا.

اگرچه انتظار می‌‌رود مقدار جرمی که توسط فونون‌‌ها حمل می‌شود، بسیار اندک باشد (چیزی معادل جرم یک اتم هیدروژن)؛ اما این مقدار عملا قابل‌اندازه‌گیری است. بااین‌حال، اگر اقدام به اندازه‌‌گیری این مقدار کنید، با چیزی بسیار متناقض مواجه خواهید شد: جرم فونون‌‌ها منفی است، این بدان معنی است که این ذرات به‌‌جای پایین‌افتادن، به «بالا» می‌‌افتند! در طول زمان، مسیر سیر این ذرات در خلاف میدان گرانشی اجرامی نظیر زمین خواهد بود. پنکو می‌‌گوید:

باوجود اینکه چنین اندازه‌‌گیری‌‌هایی ممکن است با دشواری زیادی همراه باشند؛ اما انجام آن‌ها همچنان امکان‌‌پذیر خواهد بود. اسپوزیتو اشاره می‌کند که برای تشخیص بهتر جرم فونون‌‌ها، شاید بهتر باشد به‌‌سراغ آن‌‌ها در محیط‌‌هایی برویم که سرعت صوت در آن بسیار پایین است. این امر احتمالا در ابرشاره‌‌ای از هلیوم امکان‌‌پذیر خواهد بود؛ چراکه در آن سرعت، صوت می‌تواند به صدها متر در ثانیه یا کم‌تر نیز برسد. در چنین شرایطی، عبور یک فونون منفرد می‌تواند یک جابه‌‌جایی اندک معادل با ابعاد یک اتم از ماده را در پی داشته باشد.

احتمالا کشف این موضوع که امواج صوتی دارای جرم هستند، اثرات چندانی بر زندگی روزمره‌‌ی ما نخواهد داشت. بااین‌‌حال، توجه به این نکته که موضوعی چنین بنیادی توانسته این همه سال از دیدگاه ما مغفول بماند، خود بسیار حائز اهمیت است. ایرا روتستین از دانشگاه کارنگی ملون (که در این مطالعه دخیل نبوده)، می‌گوید:

اسپوزیتو هنوز نمی‌‌داند که چرا چنین پدیده‌‌ای قبلا هرگز مشاهده نشده است. او می‌‌گوید: