声音无法在真空中传播？科学家说：不一定

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很多人在小时候应该都玩过“纸杯电话”的游戏：只需要将两个纸杯用一根拉直的线连在一起，即使小伙伴相隔很远，也能通过“纸杯电话”清楚的听到对方的声音，特别奇妙。

纸杯电话做起来非常简单 图片来源：Wikipedia

纸杯电话：靠一根绳也能传的很远很远

尽管简陋，小小的“纸杯电话”却蕴含着丰富的物理知识。声音是振动产生的一种波，就如同水波能在水中传播一样，声波能在包括水在内的气体、固体和液体介质中传播。在“纸杯电话”的游戏中，说话者的声音通过空气，纸杯及连接绳等介质传播到聆听者的耳朵里。由于声音在固体中传播的速度比空气中更快，传播距离也更远，因此即使相隔很远，“纸杯电话”也可以很好的进行传话。

可别小看“纸杯电话”，在电话发明之前，“纸杯电话”已经应用非常广泛了。早在1664-1665年之间，英国物理学家胡克就做过大量“纸杯电话”的相关实验。后来这种“纸杯电话”，也叫“有声电话(acoustic telephone)”或“情侣电话（lover’s telephone）”广泛应用于日常通讯。经过各种技术改进，“情侣电话”通常能够在800米的距离能进行通讯，据传最远可以实现4.8千米的通讯。直到后来贝尔的电话专利过期后，大量电话产品如雨后春笋般涌入市场，“情侣电话”才慢慢淡出历史，成为了科普声波的经典实验。

情侣电话 图片来源：Le Telephone by T du Moncel Paris 1880

正是在诸如纸杯电话以及音叉实验等一系列声学实验的影响下，“声音是一种波”这个结论深入人心。而声波的传导是需要介质的，无论是空气、液体还是固体，它们都是介质，因此都能传导声波。但在无介质的真空中声波会传播出去吗？逻辑推理的结果以及物理学教科书给出的答案都是：NO！

一些太空科幻电影为了突出特效，在爆炸场面中采用了声效，这时就会经常看到“太空是真空，声音不能传播，拍得太不严谨啦”这样的弹幕，可见声音不能在真空中传播早已深入人心。

也正是因为声音无法在真空中传播，所以在执行太空任务时，航天员无法通过大声说话来相互沟通，而不得不使用无线电进行通讯。因为无线电通讯的原理是电磁波的传导，电磁波的传播无需介质。

即使相距如此之近，航天员也无法直接依靠声波交流，必须通过无线电设备 图片来源：Pixabay

压电效应：居里兄弟的新发现

等等！既然电磁波可以在真空中传播，那如果能将声波和电磁波进行耦合，声波是否就能在真空中进行传播了呢？1966年，科学家S. Kaliski就从理论上提出了这样的方案。

S. Kaliski的想法是采用压电材料（piezoelectric materials）来实现声波与电磁波的耦合，并实现声波在真空中的传播。压电材料是一种特殊的材料，在受到外部压力的时候，压电材料会产生形变并在表面积累电荷，产生电压及电场。

这个过程反过来也可以实现，给压电材料施加电场会导致其产生形变，这种现象也被称为逆压电效应。压电效应是由居里兄弟：雅克·居里和皮埃尔·居里（居里夫人的丈夫）发现的，压电材料目前广泛应用于喷墨打印、高压、电子设备中的时钟发生器等领域。

压电材料一旦受到压力就会产生电压和电场 图片来源：Wikipedia

声波隧穿：让声波穿越在真空间隙中

当声波传播到压电材料的表面时，声波带来的振动通过压电效应产生电场，并在真空中诱导出一个渐逝电场（evanescent electric field）。这个渐逝电场会衰减，衰减的距离与声波的波长相当。如果将另一块压电材料慢慢靠近产生渐逝电场的压电材料，当两块压电材料的间距小于声波的波长时，第二块压电材料将感受到第一块压电材料产生的电场，并通过逆压电效应接收到声波。

通过这样的方式，声波可以跨越一个波长大小的真空间隙，从一块压电材料传播到另一块压电材料。这个过程有点类似于量子力学里面的量子隧穿现象，因而也被称为“声波隧穿（acoustic wave tunneling）“或”声子隧穿（phonon tunneling）”。

理论上听起来似乎可行，那实验上真的能实现吗？答案是：yes! 在1978年就有这样的实验报道，M. Balakirev等人采用LiIO3这种压电材料，实现了声波隧穿,但隧穿效率大约只有50%。即使在理论模型中，100%的声波隧穿也只能在特定的情况下才能实现，并且之前没有得到严格的理论证明。

近日，芬兰于韦斯屈莱大学的研究人员Z. Geng和 I. J. Maasilta通过解析及数值计算的方法，严格证明了在真空中, 100%的声波隧穿可以在两块压电材料中实现。不过实现100%隧穿效率的条件比较苛刻，当接收声波的压电材料有且仅有一种声音传导模式，并且这种传导模式与入射声波完全匹配时，才能产生共振现象，实现100%的传输效率。好在这种现象不依赖于两块压电材料的相对摆放位置，有利于进行实验验证。

声波在穿透两块压电材料之间的真空间隙，实现声波隧穿。图片来源：Z. Geng, I. J. Maasilta, Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals, Communications Physics 6, 178 (2023).

除了采用压电效应，还有很多其他的机制也可以在真空中实现声波隧穿，例如利用卡西米尔或范德华力等。卡西米尔力是由真空涨落产生的一种力，范德华力是原子之间的相互作用力，这两种力的作用范围都在纳米尺度。当两块固体之间的距离非常接近，达到几个纳米甚至原子尺度时，两块固体相邻表面的原子振动可以通过卡西米尔力或范德华力进行耦合，实现声波的传递。

和其他方案相比，采用压电效应进行声波隧穿有明显的优势，其隧穿的距离要比其他方案大很多，例如1GHz的声波可以实现5微米左右的隧穿。固体中原子的振动不仅能传导声波，还能传导热量，如果基于压电效应，实验上真的能实现100%的声波/声子隧穿，将在热流控制、微机电器件等领域有很好的应用前景，例如可以在微纳芯片中实现无接触式散热，为优化微纳电子器件散热提供新思路。

参考文献：

[1] Robert Hooke, Micrographia (The Royal Society, 1665), preface.

[2] "The Pulsion Telephone", New Zealand: Hawke's Bay Herald, Vol. XXV, Iss. 8583, January 30, 1890, p. 3.

[3] S. Kaliski, The passage of an ultrasonic wave across a contactless junction between two piezoelectric bodies, Proc. Vibr. Probl. Warsaw 7, 95 (1966).

[4] M. Balakirev, S. Bogdanov, and A. Gorchakov, Tunneling of an ultrasonic wave across a gap between lithium iodate crystals, Fiz. Tverd. Tela (Leningrad) 20, 587 (1978) [Sov. Phys. Solid State, 20, 338 (1978)].

[5] Z. Geng, I. J. Maasilta, Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals, Communications Physics 6, 178 (2023).

作者：芝了

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来源：科学大院

原标题：声音无法在真空中传播？科学家说：不一定 | 前沿探秘

编辑：利有攸往

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