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:

ممکن است تصور کنید که چنین نتایجی از دنیای فیزیک کلاسیک می‌‌بایست سال‌‌ها پیش کشف می‌‌شد. این موردی بود که ما نیز به‌‌صورت بسیار اتفاقی بدان برخورد کردیم.

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:

اگر جرم گرانشی آن‌‌ها مثبت می‌‌بود، آن‌‌ها باید به‌‌سمت پایین سقوط می‌‌کردند. اما چون جرم فونون‌‌ها منفی است، پس به بالا صعود می‌‌کنند.

این میزان صعود بسیار اندک است و تاحد زیادی وابسته‌‌به محیطی است که صوت در آن حرکت می‌‌کند. در محیطی مانند آب که صدا در آن باسرعت ۱/۵ کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند، جرم منفی فونون ممکن است باعث انحراف آن به‌‌اندازه‌‌ی حدود یک درجه در ثانیه شود؛ اما این به‌‌معنای تغییری یک درجه‌ای در فاصله‌‌ای ۱۵ کیلومتری است که اندازه‌گیری آن بسیار دشوار است.

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.

درعین حال، به‌‌جای جستجوی اثراتی اندک در موادی نامتعارف، پژوهشگران با مطالعه‌‌ی امواج صوتی بسیار قدرتمند، به‌‌دنبال روش دیگری برای کشف نشانه‌هایی آشکارتر از فونو‌‌ن‌‌های حامل جرم هستند. اسپوزیتو می‌‌گوید که زمین‌لرزه‌ها چنین امکانی را در اختیار ما قرار می‌‌دهند. باتوجه‌به محاسبات او، یک زلزله‌‌ی ۹ ریشتری می‌‌تواند انرژی کافی را برای این آزمایش آزاد کند؛ به‌‌گونه‌‌ای که تغییر حاصل‌شده در شتاب گرانشی موج صوتی زلزله می‌تواند با استفاده از ساعت‌های اتمی قابل‌اندازه‌گیری باشد. (اگرچه روش‌های فعلی آن‌‌قدرها حساس نیستند که بتوانند میدان گرانشی یک موج لرزه‌ای را شناسایی کنند؛ اما امید می‌‌رود پیشرفت‌های آتی در فناوری بتواند چنین اندازه‌‌گیری‌‌هایی را ممکن سازند.)

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:

تا پیش از انتشار این مقاله، چنین تصور می‌شد که امواج صوتی، حامل هیچ جرمی نیستند. پس مطابق این دیدگاه، چنین نتیجه‌ای بسیار حائز اهمیت تلقی می‌‌شود. هر زمان با یک دستاورد تازه در فیزیک کلاسیک مواجه می‌شوید، این تصور را با خود دارید که این حقایق می‌‌بایست از مدت‌‌ها پیش به‌‌طور کامل درک می‌‌شده‌اند. پس اگر بادقت بررسی کنید، هنوز هم می‌توانید ایده‌هایی را در علومی بیابید که برای قرن‌‌ها بدان پرداخته شده است.

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

شاید به این دلیل که ما فیزیک‌‌دان‌های سطوح انرژی بالا هستیم، موضوع جاذبه بیشتر در حوزه‌‌ی تخصص ما می‌‌گنجیده است. بااین‌حال، هیچ جادو جنبلی در کار نیست؛ در اصل افراد می‌توانسته‌‌اند این پدیده را سال‌ها پیش‌‌از این نیز کشف کنند.