F/A-18 Hornet proráží bariéru zvuku nad Pacifikem. – Kredit: US Navy.

Co je to vlastně zvuk? Fyzik by řekl, že jde o mechanické vlnění v látce, které je schopno vyvolat sluchový vjem. Lidé jsou schopni vnímat zvukové vlny, jejichž frekvence leží přibližně v rozmezí 16 Hz až 20 000 Hz. Nová vědecká studie tvrdí, že zvuk není zcela nehmotný, ale že má zápornou hmotnost, tedy hmotnost se znaménkem mínus.

Alberto Nicholis. Kredit: Columbia University.

Takový je závěr výzkumu, jehož studie se nedávno objevila na preprintovém serveru arXiv. Studii mají na svědomí teoretičtí fyzici Angelo Esposito, Rafael Krichevsky a Alberto Nicolis z Columbijské univerzity v New Yorku. Fyzici si až doposud mysleli, že zvukové vlny jsou prostě vlnění skrz hmotu, která představují souhru vybalancovaných pohybů molekul, a sama o sobě nemají žádnou hmotnost.

Jenomže podle Esposita a spol. to není tak úplně pravda. Vyšlo jim, že fonon, kvazičástice zvuku, která šíří vibrační kvantum v krystalové mřížce, nemá nulovou, ale nepatrně zápornou hmotnost. Jestli mají pravdu, tak to má důsledky pro pohyb zvukových vln.

Fonon v krystalové mřížce. Kredit: FlorianMarquardt, Mysid / Wikimedia Commons.

Jak říká Krichevsky, fonony nejsou klasické částice, jak si je lidé obvykle představují. Když se zvukové vlny pohybují skrz vzduch, tak vyvolávají série vibrací molekul vzduchu. Tyto vibrace ale není možné jednoduše popsat jako pohyby zúčastněných molekul. Podobně jako jsou fotony vyjádřením vln elektromagnetického záření, tak právě fonony vyjadřují zvukové vlny, které jsou výsledkem komplikovaných interakcí molekul látky, ve které se zvuk šíří. Neobjevují se přitom sice žádné „hmatatelné“ částice, ale de iure vlastně ano, protože vědci k popisu těchto kvazičástic používají částicové rovnice.

A tyto rovnice fyzikům prozradily, že fonony mají nepatrně zápornou hmotnost. Když na ně působí gravitace, tak se pohybují v opačném směru. Neboli, v gravitačním poli fonony nepatrně zrychlují v opačném směru, než byste na základě běžné zkušenosti obyvatele 3+1 časoprostoru čekali. Vypočítané mechanismy podle badatelů působí i na zvukové vlny běžného světa. Včetně všeho, co vypustíte z úst. Efekt je sice vážně nepatrný, ale na dostatečně velkou vzdálenost by se každé vaše slovo nebo skřek, vzneslo vzhůru.

Ira Rothstein z Carnegie Mellon University v Pensylvánii říká, že to je skoro jako antigravitace. Hmotnost fononů je ve skutečnosti záporná tak nepatrně, že to se soudobou technologií zřejmě není možné změřit. Ale autoři výzkumu jsou optimističtí a velmi přesná měření se super přesnými hodinami by to prý časem mohla zvládnout.

Jestli mají Esposito, Krichevsky a Nicolis pravdu, tak jejich objev má i reálné důsledky. Třeba v astrofyzice. Dejme tomu v jádrech neutronových hvězd, kde se zvukové vlny pohybují téměř rychlostí světla, by prý antigravitační povaha zvukových vln měla mít reálný vliv na chování celé neutronové hvězdy. Prozatím je to celé jenom teoretické šermování rovnicemi, navíc ve studii, která zatím neprošla recenzním řízením, ale kdo ví, třeba z toho časem budou fononové červí díry. Fyzika je nevyzpytatelná.

Video:  Effective Field Theories for Gravity - A. Nicolis - lecture 1/5


Literatura
Live Science 10. 8. 2018, arXiv:1807.08771.