Một khám phá quan trọng gần đây chỉ ra rằng sóng âm thanh có khối lượng cực nhỏ nhưng có thể đo được.
Nhiều người tin rằng sự hiểu biết của chúng ta về vật lý cổ điển đã đạt đến đỉnh cao bốn thế kỷ trước khi Isaac Newton tìm ra ba định luật nổi tiếng cùng tên. Nhưng một nghiên cứu mới khiến các nhà khoa học phải ngạc nhiên khi cho thấy vẫn còn những bí mật đang chờ được tìm thấy và trong trường hợp này, đó là trong lĩnh vực âm thanh.
Trong một bài báo đăng trên Physical Review Letters, một nhóm các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng sóng âm thanh có khối lượng, nghĩa là âm thanh sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp bởi trọng lực. Họ đề xuất rằng các phonon, các kích thích tập thể giống như hạt nhân chịu trách nhiệm vận chuyển sóng âm qua một môi trường, có thể thể hiện một khối lượng nhỏ trong trường hấp dẫn.
Trong vật lý học, một phonon là một giả hạt (hay chuẩn hạt) có đặc tính lượng tử của chế độ dao động trên cấu trúc tinh thể tuần hoàn và đàn hồi của các chất rắn. Phonon có vai trò quan trọng trong vật lý chất rắn, giải thích nhiều tính chất vật lý của các chất rắn, như độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện.
Hạt phonon là miêu tả của cơ học lượng tử về một dạng dao động, gọi là chế độ cơ bản trong cơ học cổ điển, trong đó mọi vị trí của mạng tinh thể đều dao động với cùng tần số. Mọi dao động bất kỳ trong mạng tinh thể đều có thể coi như sự chồng chập của các dao động cơ bản này (thông qua phân tích Fourier). Chế độ cơ bản được coi là các hiện tượng sóng trong cơ học cổ điển, nhưng thể hiện tính chất như hạt cơ bản trong cơ học lượng tử, theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất.
Chữ phonon có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp φωνή (phonē), nghĩa là âm thanh, vì các phonon ở bước sóng dài chính là sự lan truyền của âm thanh. Khái niệm phonon lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý Nga Igor Tamm. Ở một số tài liệu tiếng Việt cũ, phonon được dịch là thanh tử.
Ông Martin Esposito từ Đại học Columbia, tác giả chính của bài báo cho biết, đây là thứ chúng tôi tình cờ phát hiện ra.
Esposito và các đồng nghiệp của ông đã xây dựng dựa trên một bài báo được xuất bản vào năm ngoái, trong đó Alberto Nicolis của Columbia và Riccardo Penco từ Đại học Carnegie Mellon lần đầu tiên đề xuất các phonon có thể có khối lượng siêu lớn. Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất cho thấy hiệu ứng này cũng đúng với các vật liệu khác, bao gồm cả chất lỏng, chất rắn thông thường, và thậm chí cả không khí.
Và mặc dù khối lượng mang theo của các phonon dự kiến sẽ rất nhỏ, có thể so sánh với một nguyên tử hydro, khoảng 10 con24gram, nó thực sự có thể đo lường được. Ngoại trừ, nếu bạn đo nó, bạn sẽ tìm thấy một thứ gì đó phản trực giác sâu sắc: Khối lượng của các phonon sẽ âm, nghĩa là chúng sẽ rơi xuống. Sau đó, quỹ đạo của chúng sẽ dần dần rời khỏi một nguồn hấp dẫn như Trái đất. Nếu khối lượng hấp dẫn của chúng là dương, chúng sẽ rơi xuống, leo Penco nói. Mặt khác, vì khối lượng hấp dẫn của chúng là âm, nên các phonon rơi lên trên. Và số lượng chúng sẽ rơi ở mức độ như nhau, thay đổi tùy theo môi trường mà phonon đi qua. Trong nước, nơi âm thanh di chuyển với tốc độ 1,5 km mỗi giây, khối lượng âm của phonon sẽ khiến nó trôi đi ở khoảng 1 độ mỗi giây. Nhưng điều này tương ứng với thay đổi 1 độ trên 15 km, điều này cực kỳ khó đo lường.
Khó nhưng một phép đo như vậy vẫn có thể. Esposito lưu ý rằng để phân biệt khối lượng của các phonon, người ta có thể tìm kiếm chúng trong một môi trường mà tốc độ âm thanh rất chậm. Điều đó có thể xảy ra với helium siêu lỏng, trong đó tốc độ âm thanh có thể giảm xuống hàng trăm mét mỗi giây hoặc ít hơn.
Ngoài ra, thay vì tìm kiếm các hiệu ứng cực nhỏ được phóng đại bởi các chất đặc biệt, các nhà nghiên cứu có thể tìm kiếm các dấu hiệu rõ ràng hơn về các phonon mang khối lượng lớn bằng cách nghiên cứu chặt chẽ các sóng âm cực kỳ dữ dội. Động đất cung cấp một khả năng, Esposito nói. Theo tính toán một trận động đất mạnh 9 độ richter sẽ giải phóng đủ năng lượng để sự thay đổi kết quả trong gia tốc trọng trường của sóng âm từ trận động đất có thể đo được bằng cách sử dụng đồng hồ nguyên tử. Mặc dù các kỹ thuật hiện tại không đủ nhạy để phát hiện trường hấp dẫn của sóng địa chấn, nhưng những tiến bộ trong công nghệ trong tương lai có thể giúp điều này trở nên khả thi.
Sóng âm có khối lượng lớn dường như không có tác động lớn đến cuộc sống hàng ngày, nhưng khả năng một thứ gì đó rất cơ bản đã không được chú ý trong một thời gian dài thực sự rất hấp dẫn với các nhà nghiên cứu.
“Cho đến khi bài báo này xuất hiện, người ta đã nghĩ rằng sóng âm thanh không mang theo khối lượng lớn. Vì vậy, theo nghĩa đó, nó là một kết quả thực sự đáng chú ý. Bởi vì bất cứ khi nào bạn tìm thấy bất kỳ kết quả mới nào trong vật lý cổ điển, cho rằng nó đã xuất hiện từ thời Newton, bạn sẽ nghĩ nó sẽ hoàn toàn được hiểu. Nếu bạn nhìn kỹ, bạn có thể tìm thấy [ý tưởng] mới ngay cả trong các lĩnh vực đã được bảo hiểm trong nhiều thế kỷ.”, Ruth Rothstein từ Đại học Carnegie Mellon cho biết
Về lý do tại sao điều này chưa bao giờ được phát hiện trước đây, Esposito không chắc chắn. Dường như luôn có một sự chế ước nào đó, thứ chỉ cho phép người ta tìm ra điều gì đó ở một thời điểm đã định, dù điều đó không quá phức tạp.
Hoài Anh