Описано новое явление в конденсированных средах - «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через пустоту. За счет него звуковая волна может преодолевать тонкие вакуумные зазоры, а тепло может передаваться через вакуум в миллиарды раз эффективнее, чем при обычном тепловом излучении.
Звуковая волна - это синхронное колебание атомов вещества относительно положения равновесия. Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект, получивший название «вакуумное туннелирование фононов» , был описан сразу в двух статьях, опубликованных в последних выпусках журнала Physical Review Letters . Сразу отметим, что, поскольку колебания кристаллической решетки переносят не только звук, но и тепло, новый эффект приводит также к аномально сильной теплопередаче через вакуум .
Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, добегая до торца одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом краю вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле (см. рис. 1). В целом это выглядит так, словно отдельный фонон - «квант» колебания кристаллической решетки - перескакивает из одного кристалла в другой и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет.
Авторы открытия использовали для описания эффекта слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перескакивают через энергетически запрещенные области. Однако стоит подчеркнуть, что новое явление вполне описывается на языке классической физики и вовсе не требует привлечения квантовой механики. Оно в чём-то родственно явлению электромагнитной индукции, которое вовсю используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.
Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теоретической статье финских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики - вещества, которые электризуются при деформации и деформируются в электрическом поле. Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%.
В разделе на вопрос Звук в вакуаме не распространяется? заданный автором Невропатолог
лучший ответ это Свет и звук в вакууме
Почему свет проходит через вакуум, а звук - нет?
Отвечает эксперт SEED Клод Бодуан:
Свет – это электромагнитная волна – сочетание электрических и магнитных полей, для ее распространения не требуется наличие газа.
Звук – это результат действия волны давления. Давлению необходимо присутствие какого-либо вещества (например, воздуха) . Звук распространяется и в других веществах: в воде, земной коре, и проходит через стены, что вы могли заметить, когда шумят соседи.
Говорит Майкл Уильямс:
Свет в своей основе – это электромагнитная энергия, переносимая фундаментальными частицами – фотонами. Такое положение характеризуется как «корпускулярно-волновой дуализм» поведения волны. Это означает, что она ведет себя и как волна, и как частица. При распространении света в вакууме фотон ведет себя как частица, поэтому свободно распространяется в этой среде.
С другой стороны, звук – это вибрация. Звук, слышимый нами – результат вибрации барабанной перепонки уха. Звук, испускаемый радиоприемником – результат вибрации мембраны динамика. Мембрана двигается вперед-назад, заставляя вибрировать находящийся около нее воздух. Колебания воздуха распространяются, достигая барабанной перепонки и заставляя ее вибрировать. Вибрация барабанной перепонки преобразуется мозгом в узнаваемый вами звук.
Таким образом, для вибрации звуку необходимо наличие вещества. В идеальном вакууме вибрировать нечему, поэтому вибрирующая мембрана радиоприемника не может передавать звук.
Добавляет эксперт SEED Натали Фамильетти:
Распространение звука – это движение; распространение света – это радиация или излучение.
Звук не может распространяться в вакууме из-за отсутствия упругой среды. Британский ученый Роберт Бойль обнаружил это экспериментально в 1660 г. Он опустил часы в банку и откачал из нее воздух. Прислушавшись, он не смог различить тиканье.
Почему не всегда слышен звук. Расстояние между источником и приемником звука. 1м. 4м. 8м. 13м. Аудиозапись звука. 1. 2. 3. 4. Вывод: Звук не может распространяться на сколь угодно большое расстояние, т. к колебание частиц воздуха со временем затухают. Для слушателя, находящегося от источника звука далеко, он может быть не слышен.
Слайд 24 из презентации «Волшебный мир звуков» . Размер архива с презентацией 2834 КБ.Физика 7 класс
краткое содержание других презентаций«Отражение звуковых волн» - Эхо является существенной помехой для аудиозаписи. Практические применения. Виды эхо. Отражение плоских волн. В противном случае имеет место рассеяние звука или дифракция звука. . Что же такое отражение звука? Эхо. Звуковое эхо - отражённый звук. Отражение звука. Как правило, О. з. сопровождается образованием преломлённых волн во второй среде. Отражение звука в залах. Частный случай О. з. - отражение от свободной поверхности.
«Примеры простых механизмов» - Блоки. КПД. Блок. Твердое тело. Применение рычага. Простые механизмы. Неподвижный блок. Применение клина. КПД некоторых механизмов. Правило рычага. Рычаг. Клин. Ворот. Использование рычага. Коэффициент полезного действия. Сила, движущая тело. Полиспаст. «Золотое правило» механики. Правило моментов. Подвижный блок. Наклонная плоскость. Применение клина при поднимании тяжести. Винт.
«Величина плотности» - Опыт. Единицы измерения. Плотность вещества. Определение плотности. Какими способами можно найти массу тела. Приложение. Определение. У латуни и алюминия разная плотность. Повторение материала. Повторение пройденного. Разная масса молекул. Факты наблюдений. Всегда ли можно определить массу экспериментально. Формула расчёта плотности. Подведение итогов. У какого вещества наибольшая плотность. Физический смысл.
«Агрегатное состояние» - Четвертым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. Газообразное состояние. Презентация на тему: «Агрегатные состояния вещества». В термометре ртуть – жидкость. Учебник. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра и ионосферы. Пучкаревского Ильи. Жидкое состояние. Плазма. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями. Твердое состояние. Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным.
«Сложение двух сил» - Глубокий рельефный рисунок. Равнодействующая двух равных противоположно направленных сил. Назовите силы, изображенные на рисунке. Равнодействующая двух сил, действующих на тело по одной прямой. Цели и задачи. Обозначьте соответствующими буквами силы. Демонстрация опыта. Сложение двух сил, направленных по одной прямой. Викторина. Равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой. Решение задач.
«Испарение и конденсация жидкостей» - Каковы основные положения молекулярной теории строения вещества. Изучение нового материала. Испарение и конденсация. От чего зависит скорость испарения. Чем больше площадь поверхности жидкости, тем быстрее происходит испарение. Выйдя в жаркий день из реки, вы ощущаете прохладу. Конденсация – это явление превращения пара в жидкость. Испарение – это явление превращения жидкости в пар. Входной контроль.
Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.
В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.
Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком. Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.
Скорость звука не зависит от громкости или тона. Все звуки от радиоприемника в комнате, будь они громкими или тихими, высокого тона или низкого, достигают слушателя одновременно.
Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).
Путь волны
Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола. Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.
Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.
В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.
Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.
Сила звука максимальна вблизи источника.
Графическое изображение невидимой волны
Звуковое зондирование глубин
Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.
Упругие твердые тела
Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.
Первая мысль о космической музыке космоса очень проста: да нет там никакой музыки вообще и быть не может. Тишина. Звуки - распространяющиеся колебания частиц воздуха, жидкости или твердых тел, а в космосе большей частью только вакуум, пустота. Нечему колебаться, нечему звучать, неоткуда взяться музыке: «В космосе никто не услышит твоего крика ». Кажется, что астрофизика и звуки - это совершенно разные истории.
Вряд ли с этим согласится Ванда Диаз-Мерсед, астрофизик Южно-Африканской астрономической обсерватории, изучающая гамма-всплески. В 20 лет она потеряла зрение и у нее был единственный шанс остаться в любимой науке - научиться слушать космос, с чем Диаз-Мерсед прекрасно справилась. Вместе с коллегами она сделала программу, которая переводила разные экспериментальные данные из ее области (например, кривые блеска - зависимости интенсивности излучения космического тела от времени) в небольшие композиции, своеобразные звуковые аналоги привычных визуальных графиков. Скажем, для для кривых блеска интенсивность переводилась в частоту звука, которая менялась во времени, - Ванда брала цифровые данные и сопоставляла им звуки.
Конечно, для посторонних эти звуки , похожие на далекие перезвоны колокольчиков, звучат несколько странно, но Ванда научилась «считывать» зашифрованную в них информацию так хорошо, что прекрасно продолжает заниматься астрофизикой и часто даже открывает закономерности, ускользающие от ее зрячих коллег. Похоже, космическая музыка может рассказать немало интересного про нашу Вселенную.
Марсоходы и другая техника: Механическая поступь человечества
Прием, который использует Диаз-Мерсед, называется сонификацией - переложением массивов данных в аудиосигналы, но в космосе много и вполне реальных, а не синтезированных алгоритмами звуков. Некоторые из них связаны с рукотворными объектами: те же марсоходы ползут по поверхности планеты не в полном вакууме, и поэтому неминуемо производят звуки.
Услышать, что из этого получается, можно и на Земле. Так, немецкий музыкант Петер Кирн провел несколько дней в лабораториях Европейского космического агентства и записал там небольшую коллекцию звуков с разнообразных испытаний. Но только во время их прослушивания нужно всегда мысленно вносить небольшую поправку: на Марсе холодней, чем на Земле, и гораздо меньше атмосферное давление, а потому все звуки там звучат значительно ниже, чем их земные аналоги.
Еще один способ услышать звуки наших машин, покоряющих космос, чуть сложнее: можно устанавливать датчики, фиксирующие акустические колебания, распространяющиеся не по воздуху, а прямо в корпусах техник. Так ученые восстановили звук , с которым космический аппарат «Филы» спустился в 2014 году на поверхность - короткий, электронный «бам», будто вышедший из игр для приставки «Денди».
Эмбиент МКС: техника под контролем
Стиральная машина, автомобиль, поезд, самолет - опытный инженер часто может определить неполадку техники по звукам, которые она издает, и сейчас появляется все больше компаний, превращающих акустическую диагностику в важный и сильный инструмент. Для подобных целей используют и звуки космического происхождения. Например, бельгийский астронавт Франк Де Винне (Frank De Winne) рассказывает , что на МКС часто делают аудиозаписи работающей техники, которые отсылаются на Землю для контроля работы станции.
Черная дыра: самый низкий звук на Земле
Слух человека ограничен: мы воспринимаем звуки с частотами от 16 до 20 000 Гц, а все остальные акустические сигналы для нас недоступны. В космосе немало акустических сигналов за пределами наших возможностей. Один из самых известных среди них издает сверхмассивная черная дыра в скоплении галактик Персея - это невероятно низкий звук, который соответствует акустическим колебаниям с периодом в десять миллионов лет (для сравнения: человек способен уловить акустические волны с периодом максимум в пять сотых секунды).
Правда, сам этот звук, рожденный от столкновения высокоэнергетичных джетов черной дыры и частиц газа вокруг нее, до нас не дошел - его задушил вакуум межзвездной среды. Поэтому ученые восстановили эту далекую мелодию из косвенных данных, когда орбитальный рентгеновский телескоп «Чандра» рассмотрел в газовом облаке вокруг Персея гигантские концентрические окружности - области повышенной и пониженной концентрации газа, созданные невероятно мощными акустическими волнами от черной дыры.
Гравитационные волны: звуки иной природы
Иногда массивные астрономические объекты запускают вокруг себя особый вид волн: пространство вокруг них то сжимается, то разжимается, и эти колебания бегут через всю Вселенную со скоростью света. 14 сентября 2015 года на Земле приход одной из таких волн: многокилометровые конструкции детекторов гравитационных волн растягивались и сжимались на исчезающие доли микрон, когда через них прошли гравитационные волны от слияния двух черных дыр в миллиардах световых лет от Земли. Всего несколько сотен миллионов долларов (стоимость гравитационных телескопов , поймавших волны, оценивается в сумму около 400 млн долларов), и мы прикоснулись к вселенской истории.
Космолог Жанна Левин (Janna Levin) считает , что если бы нам (не посчастливилось) оказаться ближе к этому событию, то зафиксировать гравитационные волны можно было бы куда проще: они просто вызывали бы колебания барабанных перепонок, воспринимаемые нашим сознанием как звук. Группа Левин даже смоделировала эти звуки - мелодию двух сливающихся в невообразимой дали черных дыр. Только не путайте ее с другими знаменитыми звуками гравитационных волн - короткими, обрывающимися на полуслове электронными всплесками. Это только сонификация, то есть акустические волны с теми же самыми частотами и амплитудами, что и гравитационные сигналы, зафиксированные детекторами.
На пресс-конференции в Вашингтоне ученые даже включили тревожный звук, пришедший от этого столкновения из невообразимого далёка, но это была просто красивая эмуляция того, что было бы, зарегистрируй исследователи не гравитационную волну, а точно такую же по всем параметрам (частота, амплитуда, форма) волну звуковую.
Комета Чурюмова - Герасименко: гигантский синтезатор
Мы не замечаем, как астрофизики подкармливают наше воображение усиленными визуальными образами. Раскрашенные картинки с разных телескопов, впечатляющая анимация, модели и фантазии. В действительности в космосе все скромней: темней, тусклей и без закадрового голоса, но почему-то визуальные интерпретации экспериментальных данных смущают гораздо меньше, чем аналогичные действия со звуками.
Возможно, скоро все изменится. Уже сейчас сонификация часто помогает ученым увидеть (а точнее, «услышать» - вот предубеждения, закрепленные в языке) в своих результатах новые неизвестные закономерности. Так, удивила исследователей песня кометы Чурюмова - Герасименко - колебания магнитного поля с характерными частотами от 40 до 50 МГц, переложенные на звуки, из-за которых комету даже сравнивают со своеобразным гигантским синтезатором, ткущим свою мелодию не из переменного электрического тока, а из переменных магнитных полей.
Дело в том, что природа этой музыки до сих пор непонятна, поскольку у самой кометы нет собственного магнитного поля. Возможно, эти колебания магнитных полей - плод взаимодействия солнечного ветра и частиц, улетающих с поверхности кометы в открытый космос, но до конца эта гипотеза не подтверждена.
Пульсары: бит внеземных цивилизаций
Космическая музыка плотно переплетена с мистикой. Загадочные звуки на Луне, подмеченные астронавтами миссии «Аполлон-10 » (скорее всего, это были помехи радиосвязи), «растекающиеся по сознанию волнами успокоения » песни планет, гармония сфер, в конце концов, - непросто удержаться от фантазий, когда изучаешь бескрайние просторы космоса. Такая история была и с открытием радиопульсаров - вселенских метрономов, с методичным постоянством испускающих мощные радиоимпульсы.
Впервые эти объекты заметили еще в 1967 году, и тогда ученые приняли их за гигантские радиопередатчики внеземной цивилизации, но теперь мы почти уверены, что это компактные нейтронные звезды, миллионами лет отбивающие свой радиоритм. Тэм-тэм-тэм - эти импульсы можно переложить на звуки, точно так же, как радио превращает радиоволны в музыку, чтобы получить космический бит.
Межзвездное пространство и ионосфера Юпитера: песни ветра и плазмы
Еще множество звуков рождает солнечный ветер - потоки заряженных частиц от нашей звезды. Из-за него поет ионосфера Юпитера (это сонифицированные колебания плотности плазмы, составляющей ионосферу), кольца Сатурна и даже межзвездное пространство.
В сентября 2012 года космический зонд « » только покинул Солнечную систему и передал на землю причудливый сигнал. Потоки солнечного ветра взаимодействовали с плазмой межзвездного пространства, что порождало характерные колебания электрических полей, которые можно было сонифицировать. Монотонный шершавый шум , переходящий в металлический свист.
Возможно, мы никогда так и не покинем нашу солнечную систему, но теперь у нас есть еще кое-что кроме раскрашенных астроснимков. Причудливые мелодии, рассказывающие о мире за пределами нашей голубой планеты.
