Tudja-e, hogy a hanghullámoknak negatív tömege lehet?

Matematikailag modellezték a hang részecske természetét

A fizikusok szerint a hanghullámok negatív tömeget hordoznak, azaz antigravitácós hatásúak. Tavalyelőtt már létrehoztak antigravitációs hatású szuperfolyadékot, most pedig egy kutatócsoport szerint úgy tűnik, hogy a hanghullámok, amelyek körülvesznek bennünket, szintén ilyen hatással rendelkeznek.

Ami felmegy, annak le is kell jönnie, vagy mégsem?

Az általunk ismert makrovilágot Newton mozgástörvényei és a gravitáció irányítja. Tehát képletesen szólva, ami felmegy, annak le is kell jönnie.

A makrovilágban Newton törvényei érvényesülnek Forrás: commons.wikimedia.org

Most azonban egy fizikuscsoport előterjesztett egy olyan teoretikus dolgozatot, miszerint lehetnek negatív tömeggel rendelkező, tehát antigravitációs hatású részecskék körülöttünk, amelyek a gravitáció hatására nem le-, hanem felfelé mozognak.

Fantáziarajz egy gravitációs árapályerők miatt széteső csillaghalmazról. A világegyetemben az egyik legfőbb hatás a gravitáció Forrás: Szölgyén Ákos

A dolgozat szerzői szerint nincs olyan furcsa szubatomi részecske, aminek ilyen tulajdonságai vannak,

de a hang részecskéi, a phononok, mégis ellenállnak a gravitációnak.

Ha a hang nem fizikai objektum, akkor hogyan lehetséges, hogy a gravitációnak hatása van rá? Úgy, hogy a hanghullámnak negatív a tömege, és ez a negatív tömeg létrehozza a saját kis gravitációs mezejét, ami felfelé nyomja őket ahelyett, hogy lefelé nyomná.

Matematikailag modellezték a hangrészecske természetét Forrás: New Scientist

A dolgozat tisztán teoretikus jellegű, ami azt jelenti, hogy a kutatók egyelőre csak egy számításokon alapuló hipotézist állítottak fel azon az alapon, hogy ismerjük a főbb törvényszerűségeket, elméletben bemutatva, hogy a hipotézis igaz lehet. Nem azt mondják, hogy találtak bármilyen fizikai bizonyítékot a hanghullámok negatív tömegszállító képességére,

egyszerűen csak bemutatják, hogy ha ez volna a helyzet, nem sértene semmit sem a fizikában.

Tehát a bizonyítás, a számítások igazolása még hátravan.

Matematikailag a hanghullámok is leírhatók részecskeként

Tudjuk, hogy léteznek negatív tömegű részecskék, amelyek az erő ellenében mozognak, szemben azzal, mint amit várnánk.

Tavaly laboratóriumi körülmények között már sikerült létrehozni negatív tömegű folyadékot,

egy kutatócsoport pedig a hang természetét vizsgálva jutott érdekes következtetésre. A hanghullámok, amikor keresztülhaladnak az anyagon, rezgésbe hozzák a molekulákat. A molekulák a vibráció hatására továbbhaladnak, végül a dobhártyánknak ütköznek, és ennek köszönhetően halljuk a hangokat.

A hanghullámok rezgésként terjednek tova Forrás: iLexx/Ilexx

Bár a hangok hagyományos értelemben nem tekinthetők részecskéknek, matematikailag azonban le tudjuk írni őket részecskeként is,

és ezek az elméleti részecskék a phononok. Korábban úgy gondoltuk, hogy a phononokra nem hat a gravitáció, és a phononoknak sincs hatásuk a gravitációra, mivel nincsen tömegük.

A hangok nem tekinthetők hagyományos értelemben részecskéknek, ám matematikailag leírható részecskeviselkedésük Forrás: Cosmos Magazine

A kutatócsoport vezetője, Alberto Nicolis szerint a korábbi kísérletek alapján azonban könnyen lehetséges, hogy mégsem ez a helyzet, legalábbis nem extrém kondíciók között. Az ezzel kapcsolatos kutatást a Physical Review Letters szakmagazinban publikálták.

Felfelé folyik, és lebeg benne a hang

Nicolis kísérlete olyan szuperfolyadékban zajlott, amely ellenállás nélkül folyik az abszolút nulla fok (-273 K) közelében. E szuperfolyadékban

a phononok útja felfelé térül el, látszólag szembehelyezkedve a gravitációval.

A szuperfolyadék az anyagnak egy különleges állapota. Majdnem abszolút nulla fokon a folyadék viszkozitása is nullává válik, tehát a folyadék anélkül folyik, hogy kinetikus energiát veszítene.

A szuperfolyadék az anyag különleges állapota Forrás: New Atlas

Ennek a folyadéknak furcsák a hatásai, például felfelé folyik a kísérleti konténer falán, a hang pedig lebeg benne.

Nicolis legutóbbi dolgozata arra az ötletre épült, hogy a phononok valamiféle negatív gravitációs mezőt generáltak. A kutatók szerint a phonon effektíve kis gravitációs tömege ugyancsak kis gravitációs mezőt generál, és e gravitációs mező forrása utazik a phononnal, így fizikai értelemben a phonon negatív tömeget szállít.

Forrás: Phys.org

Az új dolgozatban a tudósok próbálják kiterjeszteni a szuperfolyadék kvantumvilágának eredményeit a megszokott szilárd anyagokra és folyadékokra. A negatív tömeg függ a hanghullám által szállított energiától és a koefficienstől, ami viszont attól a közegtől függ, amelyen keresztül a hullám terjed.

A neutroncsillagok furcsa világa

A hatás kicsi, de a tudósok azt állítják, hogy bizonyos esetekben érzékelni lehet. Az atomórák és kvantum graviméterek még nem egészen érzékenyek ehhez,

de hamarosan képesek lesznek érzékelni ilyen kis hatásokat is.

A csapat képes volt matematikailag modellezni, hogy a klasszikus hanghullámok tudnak tömeget vinni, és nemcsak szuperfolyadékban vagy a kvantumvilágban, hanem a makrovilág környezetében is.

Forrás: ScienceAlert

A hanghullámok a standard newtoni törvények értelemében gravitációs tömeget visznek: a gravitáció hat a hanghullámra, de a hanghullám forrása is a gravitációnak. A kutatók most azon dolgoznak, hogy miként tudnák kísérletileg is tesztelni az elméletüket.

Neutroncsillag művészeti illusztrációja Forrás: ICRAR/University of Amsterdam

Ez a hatás más objektumok viselkedését is befolyásolhatja az univerzumban, mint például a neutroncsillagok esetében,

amelyeknek hihetetlenül sűrű a magjuk, és ahol a hanghullámok közel fénysebességgel mozognak.

Ezért könnyen lehetséges, hogy a negatív tömeg látható olyan extrém környezetekben, mint amilyenek a neutroncsillagok.