Традиционное представление о механике распространения звуковых волн как о нематериальных колебаниях в воздушной среде, лишенных какой либо массы согласно классическим физическим законам, постепенно утрачивает какую либо актуальность. Недавние исследования группы ученых предоставили новые доказательства того, что звуковые частицы могут обладать минимальной массой. Несмотря на ее незначительность, данная масса способна генерировать собственные гравитационные поля, учет которых становится необходимым при проведении определенных научных изысканий и изучении космического пространства. В качестве иллюстрации можно привести следующий пример: при ударе по мячу для передачи ему энергии происходит его ускорение, что, согласно теории относительности Эйнштейна, влечет за собой приобретение объектом крайне малой доли дополнительной массы.

Теперь представьте, что в роли мяча выступает крошечная частица, а в роли удара – звуковая волна, и над этим камнем преткновения физики “ломали копья” в течение нескольких десятилетий, пытаясь выяснить, влияет ли дополнительный импульс от звуковой волны на общую массу колеблющейся частицы.

Ученые из Колумбийсого и Пенсильванского университетов занимались исследованиями вопросов, связанных с поведением и рассеиванием звуковых волн, распространяющихся в среде сверхтекучей жидкости, жидкого гелия. Первые из проведенных ими экспериментов показали, что звук имеет ненулевое значение массы и, благодаря этому, его движение попадает под влияние глобального гравитационного поля, силы земного притяжения в данном случае.

Уровень обнаруженных учеными эффектов столь мал, что его проявления никак не могут стать ощутимыми на Земле, они могут проявляться в весьма чрезвычайных условиях, когда порождаемый звездный “рев” движется в среде чрезвычайно плотных объектов, таких, как нейтронные звезды. И тогда эффекты взаимодействия мощных звуковых волн с сильнейшей гравитацией космических объектов может заметно влиять на происходящие в этой области пространства процессы.

В то время, как ученые подтвердили возможность наличия массы у звуковых волн при чрезвычайных условиях, они сейчас готовят ряд экспериментов, которые должны подтвердить, что фононы, звуковые частицы, имеют массу и при нормальных условиях. Это все противоречит существующей теории, согласно которой фононы не имеют массы и гравитационные поля никак не влияют на их движение.

Ключом к решению описанной выше проблемы станет изучение распространения фононов в среде с заданными параметрами. В идеальной среде движение фононов и передача импульса движения могут быть описаны, как одна из форм линейной дисперсии, которая, согласно теоретическим расчетам, придает фононам ненулевую массу. Но в реальности, с которой предстоит столкнуться ученым, все обстоит намного хуже, реальные частицы и жидкости далеки от идеальных, они повинуются массе других физических законов, взаимодействуют и оказывают взаимное влияние на другие близлежащие объекты.

Масса, которую собираются обнаружить ученые у фонона, очень мала. Она находится в том же промежутке, что и количество энергии фотона света, поделенное на квадрат скорости света, другими словами эта масса очень и очень мала. К сожалению, далеко не все теоретические выкладки и подтверждения, выдвинутые учеными, были проверены на практике, для этого потребуется измерить гравитационные изменения на уровне отдельных атомов, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это станет возможным в ближайшем будущем, лишь только недавно ученые получили возможность экспериментов с конденсатом Бозе-Эйнштейна в космосе.

Пока еще не до конца ясно, к чему может привести сделанное учеными открытие. То ли в качестве примера его применения, то ли в качестве шутки, ученые использовали свою теорию для того, чтобы “взвесить” такое явление, как землетрясение. Согласно их расчетам, звук, произведенный сильнейшим разрушительным землетрясением, может иметь массу порядка миллиарда килограммов.

Для любознательных: Левитация звуком или как акустические волны переносят массу

Представьте мир, где капли опасных химикатов парят в воздухе, не касаясь стенок лабораторной посуды, а хирурги доставляют лекарства точно в пораженную зону организма с помощью невидимого пинцета. Это не фантастика, а реальность, которую создают технологии акустического переноса массы.

Сила невидимого: как звук двигает материю

Звук — это механическая волна давления, проходящая через среду (воздух, воду или твердые тела). Когда звуковая волна сталкивается с объектом, она передает ему часть своего импульса. Это явление называется давлением звукового излучения.

Если направить навстречу друг другу две одинаковые акустические волны, возникает стоячая волна. В ней образуются чередующиеся зоны:

• Узлы — области с минимальным давлением.
• Пучности — области с максимальным давлением.

Микроскопические объекты и капли жидкости втягиваются в узлы стоячей волны, где силы давления уравновешивают силу тяжести. Так возникает акустическая левитация. Изменяя фазу или частоту волн, эти узлы можно перемещать в пространстве, физически перенося массу вместе с ними.

Мировой опыт: от микроэлектроники до космоса

За рубежом технологии акустического манипулирования активно развиваются в крупнейших научных центрах США, Швейцарии, Великобритании и Японии.

• Биомедицина и «лаборатории на чипе»: Ученые используют ультразвуковые пинцеты для бесконтактного перемещения живых клеток, бактерий и ДНК. Это позволяет изучать свойства клеток, не повреждая их механическими инструментами.
• Фармацевтика: В условиях акустической левитации создаются новые лекарственные формы. Жидкость испаряется из парящей капли равномерно со всех сторон. Это исключает появление точек кристаллизации от контакта с поверхностью подложки, позволяя получать идеальные аморфные структуры лекарств, которые лучше усваиваются организмом.
• Космические исследования: NASA и ESA тестируют акустические левитаторы для работы в условиях микрогравитации. Звуковые волны помогают удерживать и смешивать компоненты сплавов или биологических растворов на борту космических станций.

Российские разработки: традиции и новые горизонты

Россия имеет сильную историческую базу в области акустики, начиная со школы советского физика Петра Лебедева, который экспериментально доказал давление света и изучал волновые процессы. Сегодня российские ученые фокусируются на практическом применении звукового переноса в индустрии.

• Акустофлюидика в Сколтехе и ИФТТ РАН: Российские исследователи активно создают микрофлюидные чипы. В этих устройствах ультразвуковые волны используются для сепарации клеток крови или очистки плазмы от микрочастиц. Под действием звука тяжелые частицы уходят в одну сторону микроканала, а легкие — в другую.
• Бесконтактная сборка микросхем: Ряд отечественных лабораторий разрабатывает ультразвуковые манипуляторы для микроэлектроники. Звук позволяет позиционировать кремниевые подложки и миниатюрные компоненты без риска их загрязнения или статического повреждения.
• Очистка промышленных выбросов: В России развиваются технологии акустической коагуляции. Мощный ультразвук заставляет мелкие частицы опасной пыли и дыма в заводских трубах колебаться, сталкиваться и укрупняться. Тяжелые конгломераты массы затем легко осаждаются обычными фильтрами.

Главные проблемы технологии

Несмотря на впечатляющие успехи, акустический перенос массы пока сталкивается с серьезными физическими и инженерными ограничениями:

1. Ограничение по массе: Звуковое давление относительно невелико. Сегодня стабильно переносить по воздуху удается лишь объекты весом в доли грамма или капли жидкостей. Для перемещения тяжелых предметов требуются мощности звука, способные разрушить сам аппарат или среду вокруг него.
2. Тепловой перегрев: Мощные ультразвуковые излучатели (пьезоэлементы) выделяют колоссальное количество тепла. Это нагревает окружающую среду, вызывает турбулентность воздуха и разрушает стабильность акустической ловушки. В биомедицине нагрев может просто сварить живые клетки.
3. Чувствительность к среде: Изменение температуры, влажности или давления воздуха мгновенно меняет скорость звука. Волна смещается, и удерживаемый объект падает.

Перспективы: куда ведет нас звук?

В ближайшие десятилетия технологии переноса массы звуком совершат переход от штучных лабораторных экспериментов к массовому производству.

• Аддитивное производство будущего: Появится «звуковая 3D-печать», где миллионы микрочастиц будут одновременно выстраиваться звуковыми волнами в сложные объемные структуры внутри полимерного геля перед его застыванием.
• Адресная доставка лекарств inside-body: Ультразвуковые лучи смогут мягко вести капсулу с лекарством через кровоток пациента прямо к опухоли, минуя здоровые ткани.
• Конвейеры абсолютной чистоты: На заводах по производству сверхпроводников и процессоров механические роботы уступят место акустическим постелям, по которым детали будут скользить на звуковой подушке без трения и пыли.

Звук перестал быть просто явлением, которое мы слышим. Сегодня это точный, стерильный и послушный инструмент, способный управлять осязаемым материальным миром.