Schall kann sich tatsächlich durch ein Vakuum ausbreiten! Es ist Zeit, Ihr Physiklehrbuch neu zu schreiben

Wenn Ihnen ein Freund erzählt, dass sich Schall im Vakuum ausbreiten kann, lachen Sie ihn bitte nicht gleich aus, weil er die Physikkenntnisse der Oberstufe nicht gut beherrscht. Tatsächlich kann sich Schall unter bestimmten Bedingungen im Vakuum über extrem kurze Distanzen ausbreiten.

Am 14. Juli 2023 veröffentlichten zwei Physiker der Universität Jyväskylä in Finnland, Zhuoran Geng und Ilari J. Maasilta, ihre neuesten Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Communications Physics. Ihnen gelang erstmals die extrem kurze Schallausbreitung im Vakuum zwischen zwei Zinkoxidkristallen (ZnO), die sehr nahe beieinander lagen (etwa 100 Nanometer). Mit anderen Worten: Es stellt sich heraus, dass sich Schall tatsächlich im Vakuum ausbreiten kann!

Warum kann sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten?

In unseren Physiklehrbüchern der Mittelstufe wird uns schon seit langem erklärt, dass Schall für seine Ausbreitung ein Medium benötigt. Das Medium zur Schallausbreitung kann gasförmig, flüssig oder fest sein, wie etwa die Luft, die wir atmen, Wasser oder Stahl. Der Weltraum ist eine Vakuumumgebung ohne jegliches Medium, daher kann sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten.

Chladnische Muster: Visualisierung der Schallausbreitung. Bildquelle: wikimedia

Im Physikunterricht an weiterführenden Schulen erklären die Lehrer Folgendes: Das Objekt, das zunächst vibriert, wird als Schallquelle bezeichnet, und Schall ist eine mechanische Welle, die durch die Vibration der Schallquelle erzeugt wird. Mechanische Wellen sind für ihre Ausbreitung auf die kontinuierliche Vibration des Mediums angewiesen.

Um es anschaulicher auszudrücken: Der Prozess der Schallausbreitung ähnelt Wellen im Wasser. Die tropfenden Wassertropfen sind hier die „Schallquelle“, die ständig vibrierende Wasseroberfläche ist das „Medium“ und die Wellen in der Ferne sind der „Schall“. Mit anderen Worten: Der Schall breitet sich als mechanische Welle weiter aus, während das Medium vibriert, und vervollständigt so seine eigene Ausbreitung .

Der Prozess der Schallausbreitung ähnelt Wellen im Wasser. Urheberrechtlich geschützte Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung dieser Bilder können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Daher kann sich Schall in einer Vakuumumgebung ohne Medium nicht ausbreiten.

Es kann durch elektromagnetische Wellen übertragen werden.

Als mechanische Welle kann sich Schall unter normalen Bedingungen im Vakuum natürlich nicht direkt ausbreiten. Doch oft müssen wir Schall im Vakuum übertragen, beispielsweise um die Sprachkommunikation mit Astronauten in der Raumstation aufrechtzuerhalten.

Tatsächlich hat uns unser Physiklehrer in der High School noch etwas anderes erklärt: Sichtbares Licht, Radiowellen usw. sind allesamt elektromagnetische Wellen, und für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ist kein Medium erforderlich, sodass sie sich im Vakuum ausbreiten können. Auf diese Weise kann sich Schall im Vakuum effektiv ausbreiten, indem mechanische Wellen in elektromagnetische Wellen und dann wieder in mechanische Wellen umgewandelt werden .

Schallwellen breiten sich durch einen Vakuumspalt aus (künstlerische Darstellung). Bildquelle: Science Alert

Tatsächlich ist dieser indirekte Weg nicht mysteriös, er hat in unserem Leben schon immer existiert. Beispielsweise können wir mit einem Mikrofon Schall in elektrische Signale (mechanische Wellen → elektromagnetische Wellen) umwandeln, und die elektrischen Signale stimulieren die Erzeugung von Radiowellen, um die Informationsübertragung abzuschließen (elektromagnetische Wellen). Schließlich werden die elektromagnetischen Wellen zur Erzeugung elektrischer Signale empfangen und wieder in Schall umgewandelt (elektromagnetische Wellen → mechanische Wellen).

Durch diese indirekte Schallumwandlungsmethode können wir, selbst wenn wir uns am Boden befinden, die Worte des chinesischen Astronauten Zhai Zhigang hören: „Ich habe die Kabine verlassen und fühle mich gut!“

Dieser indirekte Weg der Schallausbreitung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen kann jedoch das Bedauern in den Herzen der Physiker noch immer nicht wettmachen – es wäre doch eine gute Sache, wenn sich Schall im Vakuum ausbreiten könnte, selbst wenn es sich nur um eine sehr kurze Distanz im Vakuum handelt.

Versuchen Sie es im Vakuum.

Obwohl sich Schall in einer Vakuumumgebung nicht über große Entfernungen ausbreiten kann, geschieht etwas Wunderbares, wenn die Vakuumdistanz gering genug ist: Schall kann sich in einem Vakuum immer noch über extrem kurze Entfernungen ausbreiten .
Tatsächlich schlugen Physiker bereits 1966 kühn vor: Gemäß der Beschreibung der mikroskopischen Welt durch die Quantenmechanik besteht bei einem ausreichend geringen Vakuumabstand (in der Größenordnung von Hunderten von Nanometern) für Schall immer noch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, direkt durch den Vakuumspalt zu gelangen, wodurch eine perfekte Vakuumausbreitung erreicht wird. Diese Hypothese, dass sich Schall durch extrem kurze Vakuumintervalle ausbreitet, wird auch als „ Schalltunneln “ bezeichnet.

Allerdings ist es nicht so einfach, ein „Sound-Tunneling“ zu erreichen. Es erfordert spezielle Materialien und komplexe experimentelle Methoden. Obwohl es einigen Physikern gelungen ist, „Schalltunnel“ zu erzeugen, ist die Tunneleffizienz nicht hoch.

Glücklicherweise entdeckten Geng Zhuoran und Ilari Masilta zufällig, dass Schall von einem Kristall zum anderen übertragen werden kann, wenn zwei Zinkoxidkristalle (ZnO) nahe genug beieinander platziert werden, und dass die Tunneleffizienz dieses Mal 100 % erreicht.

Zwischen den oberen und unteren ZnO-Kristallen breitet sich der Schall im Vakuum über eine sehr kurze Distanz aus. Bildquelle: Referenz [1]

Dies liegt daran, dass Zinkoxidkristalle (ZnO) ein spezielles piezoelektrisches Material sind, das ein elektrisches Feld erzeugt, wenn es äußerem Druck ausgesetzt wird. Unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes werden Zinkoxidkristalle (ZnO) aufgrund von Spannungen ebenfalls verformt.

Wenn also Schall auf einen Kristall einwirkt, wird dieser einer Kraft ausgesetzt, die ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch sich das elektrische Feld des anderen Kristalls entsprechend ändert. Auf diese Weise wird der andere Kristall unter der Einwirkung des elektrischen Felds zum Vibrieren gebracht, wodurch der Originalton reproduziert wird .

Abschluss

Der Reiz der Wissenschaft liegt darin, das bestehende menschliche Wissen ständig zu untergraben und der Welt unendliche Inspiration zu bringen. Diese neue Entdeckung zur Schallausbreitung kann Physikern nicht nur dabei helfen, die grundlegenden Gesetze der Quantenmechanik besser zu verstehen, sondern ihnen auch dabei helfen, in neue Bereiche vorzudringen, neue Technologien zu entwickeln und neue Technologien auf die Smartphone-Kommunikation oder mikroelektromechanische Komponenten in anderen Sprachgeräten anzuwenden.

Verweise

[1] Geng Z, Maasilta I J. Vollständiges Tunneln von Schallwellen zwischen piezoelektrischen Kristallen[J]. Kommunikationsphysik, 2023, 6(1): 178.

[2] Kaliski S. Der Durchgang einer Ultraschallwelle über eine berührungslose Verbindung zwischen zwei piezoelektrischen Körpern[C]//Proc. Vibrieren. Problem. 1966, 7(2): 95-104.

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang, Institut für Physik, Tsinghua-Universität

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Cui Yinghao