你的物理书又要改写了：声音真的能通过真空传播！
如果有朋友告诉你，声音能在真空中传播，请别着急笑话他的中学物理没学好。事实上，在某些特定的条件下，声音的确可以在极短距离的真空内传播。
2023 年 7 月 14 日，来自芬兰于韦斯屈莱大学的两位物理学家耿卓然（Zhuoran Geng）和伊拉里?马西尔塔（Ilari J. Maasilta）在《通讯-物理》期刊上发表了最新的研究成果，他们在两块相距极近（大约 100 纳米）的氧化锌（ZnO）晶体材料之间，首次实现了声音在晶体之间极短的真空传播。也就是说，原来声音真的可以在真空中传播！
声音为啥不能在真空中传播？
初中物理课本上早就告诉过我们，声音需要介质才能传播。传播声音的介质可以是气体、液体或者固体等，比如我们呼吸的空气、水或者钢铁等。而太空是一种不存在任何介质的真空环境，因此声音无法在真空中传播。
克拉尼图形：将传播中的声音变得可视化。图片来源：wikimedia
而在高中课堂上，物理老师则会更进一步地解释道：最初发出振动的物体叫作声源，而声音就是由声源振动产生的一种机械波，机械波需要依靠介质的不断振动才能传播。
形象一点来说，声音传播的过程就像水中激起的涟漪，这里滴落的水滴就是“声源”，不断振动的水面就是“介质”，而远处泛起的涟漪就是“声音”。也就是说，声音作为一种机械波，会随着介质的振动而不断向四周扩散，从而完成自身的传播。
因此，对于不存在任何介质的真空环境而言，声音是无法实现传播的。
借点电磁波就可以传
声音作为一种机械波，在一般条件下，自然是无法在真空中直接传播的。但在很多的时候，我们不得不在真空中传递声音，比如与空间站中的航天员保持语音沟通等。
其实，中学物理老师还告诉过我们另外一件事，那就是可见光、无线电波等都是电磁波，而电磁波的传播不需要介质，因此可以在真空中传播。这样一来，声音便能够通过将机械波转化为电磁波，再转为机械波的方式，实现在真空中的有效传播。
声波穿过真空间隙（艺术图）。图片来源：Science Alert
其实这种间接的方式并不神秘，它一直存在于我们的生活中。比如，我们可以用麦克风将声音转化成为电信号（机械波→电磁波），而电信号会激发产生无线电波完成信息传播（电磁波），最终电磁波被接收生成电信号并且再次转化成为声音（电磁波→机械波）。
通过这种声音间接转化的方式，我们即使身处地面，仍然可以听到中国航天员翟志刚的那句话：“我已出舱，感觉良好！”
但是，这种声音借助电磁波来间接传播的方式，仍然无法弥补物理学家心中的遗憾——如果声音能够在真空中传播，哪怕只是极短的真空距离，也是好事。
在真空里再试试
对于声音而言，虽然它无法在长距离的真空环境中传播，但是当真空距离足够近的时候，就会发生奇妙的事情——声音仍然有可能在极短距离的真空内传播。
其实早在 1966 年，物理学家就大胆提出：根据量子力学对于微观世界的描述，当真空距离足够近时（百纳米量级），声音仍然会有一定概率直接穿过真空间隔，从而完成完美的真空传播。这种奇妙的声音穿过极短真空间隔的假设，也被称为“声音隧穿”。
但是，要想实现“声音隧穿”并不那么简单，它需要特定的材料以及复杂的实验方法，虽然有的物理学家实现了“声音隧穿”，但隧穿效率并不高。
幸运的是，耿卓然和伊拉里?马西尔塔意外地发现，如果将两块氧化锌（ZnO）晶体材料靠得足够近，那么声音就可以从其中的一块晶体传播到另一块晶体，而且这次的隧穿效率达到了 100%。
这是因为，氧化锌（ZnO）晶体是一种特殊的压电材料，当它受到外界施加的压力时，就会产生电场。在电场作用下，氧化锌（ZnO）晶体也会受力发生形变。
因此，当声音施加到一块晶体上的时候，这块晶体就会受力产生电场，并导致另外一块晶体的电场也相应发生改变。这样一来，另外一块晶体就会在电场的作用下，受力发生振动，从而复现原本的声音。
结语：
科学的魅力就在于不断颠覆人类已有的认知，以带来对这个世界的无限启发。这次关于声音传播的全新发现，不仅可以帮助物理学家更好地理解量子力学中的基本规律，还有望借助该成果去拓展新领域、开发新技术，并将新技术应用于智能手机通信，或者其他语音设备内的微机电组件中。
参考文献
[1] Geng Z, Maasilta I J. Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals[J]. Communications Physics, 2023, 6(1): 178.
[2] Kaliski S. The passage of an ultrasonic wave across a contactless junction between two piezoelectric bodies[C]//Proc. Vibr. Probl. 1966, 7(2): 95-104.
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出品丨科普中国
作者丨栾春阳 清华大学物理系
监制丨中国科普博览
责编丨崔瀛昊
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