声⾳⽆法在真空中传播？科学家说：不⼀定
中科院物理所
2023-09-17 14:24:07
转⾃公众号：科学⼤院
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。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。
直到后来⻉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。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，可⻅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。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。
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⻓相当。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⻓时，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⻓⼤⼩的真空间隙，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，芬兰于⻙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。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，例如利⽤卡⻄⽶尔或范德华⼒等。卡⻄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⻄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。