问题

为什么声音不能通过真空传播?

回答
声音,我们日常生活中不可或缺的感知,从远古人类的呼唤到现代音乐的律动,无不依赖于它。但你有没有想过,为什么我们能听到鸟儿的歌唱,却无法听见月球上宇航员的交谈?这背后的原因,其实就隐藏在声音的本质之中——声音需要介质才能传播,而真空,恰恰是介质的缺失。

要理解这一点,我们得先回到声音的源头。当我们说话、敲击物体,或者乐器发声时,其实是在让物体的粒子(比如空气的分子、乐器的弦)发生振动。这种振动不是粒子原地打转,而是它们在自己的位置附近来回摆动,就像你轻轻拨动一根绷紧的绳子,绳子会产生波浪一样。

这种“波浪”是如何从声源传递到我们耳朵里的呢?这就需要介质了。介质就是那些组成我们周围世界的物质,最常见的比如空气,但也可以是水、固体(比如墙壁)等等。

想象一下,当你说话时,声带在振动,然后它会推挤周围的空气分子,让它们靠近。这些被推挤的分子又会接着推挤它们旁边的分子,这样一传十,十传百,一层一层地将振动传递出去。就像你在池塘里扔下一颗石子,激起一圈圈涟漪,这些涟漪就是能量在水中的传播。

更准确地说,声音是一种机械波。这意味着它需要通过粒子的相互挤压和拉伸来传递能量。当你说话时,空气分子被推挤(压缩),然后又被拉开(稀疏),这种疏密相间的变化就是声波。这些分子并没有被“搬走”,它们只是在原地振动,并将振动的能量传递给下一个分子。

现在,让我们来看看真空。真空,字面意思就是“空无一物”的状态。在严格意义上的真空里,不存在任何粒子,或者粒子的密度极其低,低到无法形成一个连续的介质来传递振动。

所以,当声源在真空中振动时,它推挤的“空气”在哪里呢?它推挤的“水”又在哪里呢?什么都没有。没有粒子可以被推挤,也没有粒子可以被拉伸。就像你用力去按一根不存在的绳子,它当然不会传递任何波浪。

这就好比你在空旷的房间里敲锣打鼓,声音会通过空气传递到墙壁,再通过墙壁传递到另一个房间。但如果你是在太空站里,敲了锣,锣本身会振动,产生振动能量,但这个能量无法通过真空传递到你耳朵里。因为你和锣之间没有空气,没有其他任何可以传递振动的物质。

当然,声音的传播速度和介质的性质有关。声音在空气中传播的速度大约是340米/秒,在水中会快很多,在固体中则更快。这是因为不同介质的粒子之间的距离和相互作用力不同,影响了能量传递的效率。但无论介质如何,粒子和粒子之间的接触和传递是声音存在的根本。

所以,下次当你思考声音为何不能在太空传播时,记住它的本质:它是一种需要媒介的机械振动。没有了介质,就像没有了舞台,再精彩的表演也无法上演。真空,便是声音的“无声之地”。

网友意见

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上面回答真空能传声的前瞻研究,是近十年人们在声子传导学科上的一个重要实验突破。理论上声子在固体中通过扩散传播,形成传热,但近十年不断有实验发现,存在一种微纳尺寸下的弹道声子传播方式,在声子平均自由程内,或者在两次碰撞时间内,声子的传递是类辐射的,也就是弹道的。进而有了科学家对于微纳尺寸下的弹道传热研究。

这种传热有很多的解释途径。量子涨落也好,声子辐射也好,弹道传热也好等等等等,均在表达一个科学图像,那就是当年把固体振动能量,量子化表述成的声子,已经不再是经典的图景了,随着进一步研究,和各类精密仪器的发展,声子应该有的量子特性,都能被相对宏观的现象表达出来。

真空传热,就是声子的量子特性表达。

鄙人不才,讲了些不严谨的的说法,希望对你有用。

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实际上在特殊的情况下,声音是可以通过真空传播的[1]

这不是民科,这是Nature上发表的文章[2]

我们先来说说为什么一般认为真空不能传播声波:因为声波是一种机械波(声波大多数情况下是纵波,但是在固体中传播时也可以是横波),而机械波的传播需要介质。真空,大家认为就是空的,没有任何介质,因为不能作为传播声波的媒介。

但是真空真的就是绝对的空吗?

根据量子场论,一个包含作用粒子的基态(或真空态)不单纯只是个空无一物的空间, 它包含了存活时间很短虚正反粒子对,从真空中产生并彼此湮灭。

以上这段话来源于维基百科[3]。而这些虚粒子的产生,来源于不确定性关系 [4],也就是说,拥有能量为 而寿命小于 的虚粒子对一直在真空中生成和湮灭——换言之,真空并不是绝对的空。

既然真空不是绝对的空,那么理论上声波就有可能在真空中传播。实际上,加州大学伯克利分校的Xiang Zhang教授课题组就观察到了这一现象,并且论文发表在了Nature上[2][5]

他们研究了高温物体的能量向低温物体传播的过程,物体中间隔着350-800 nm厚的真空。他们发现当距离小于500 nm时,热量能通过声波的形式进行传播(Phonon heat transfer)——他们在实验中已经排除了其他热传递方式的影响。

总结:声音是机械波,而机械波的传播需要介质。真空一般被认为是“空的”而没有足够的介质,所以难以传播声波。但是,由于量子涨落的缘故,真空不是绝对的空,因此在一定的程度上还是可以传播声波的。

参考

  1. ^声音也能通过真空传播?你的物理书又该改写了 https://www.huxiu.com/article/331418.html
  2. ^ a b https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4
  3. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E6%A5%B5%E5%8C%96
  4. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_fluctuation
  5. ^ https://vcresearch.berkeley.edu/news/heat-energy-leaps-through-empty-space-thanks-quantum-weirdness

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