聲音無法在真空中傳播？

紙杯電話：靠一根繩也能傳的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)

盡管簡(jiǎn)陋，小小的“紙杯電話”卻蘊(yùn)含著豐富的物理知識(shí)。聲音是振動(dòng)產(chǎn)生的一種波，就如同水波能在水中傳播一樣，聲波能在包括水在內(nèi)的氣體、固體和液體介質(zhì)中傳播。**在“紙杯電話”的游戲中，說話者的聲音通過空氣，紙杯及連接繩等介質(zhì)傳播到聆聽者的耳朵里。**由于聲音在固體中傳播的速度比空氣中更快，傳播距離也更遠(yuǎn)，因此即使相隔很遠(yuǎn)，“紙杯電話”也可以很好的進(jìn)行傳話。

可別小看“紙杯電話”，在電話發(fā)明之前，“紙杯電話”已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛了。早在1664-1665年之間，英國(guó)物理學(xué)家胡克就做過大量“紙杯電話”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。后來這種“紙杯電話”，也叫“有聲電話(acoustic telephone)”或“情侶電話（lover’s telephone）”廣泛應(yīng)用于日常通訊。經(jīng)過各種技術(shù)改進(jìn)，“情侶電話”通常能夠在800米的距離能進(jìn)行通訊，據(jù)傳最遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)4.8千米的通訊。直到后來貝爾的電話專利過期后，大量電話產(chǎn)品如雨后春筍般涌入市場(chǎng)，“情侶電話”才慢慢淡出歷史，成為了科普聲波的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

正是在諸如紙杯電話以及音叉實(shí)驗(yàn)等一系列聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響下，“聲音是一種波”這個(gè)結(jié)論深入人心。而聲波的傳導(dǎo)是需要介質(zhì)的，無論是空氣、液體還是固體，它們都是介質(zhì)，因此都能傳導(dǎo)聲波。但在無介質(zhì)的真空中聲波會(huì)傳播出去嗎？邏輯推理的結(jié)果以及物理學(xué)教科書給出的答案都是：NO！

一些太空科幻電影為了突出特效，在爆炸場(chǎng)面中采用了聲效，這時(shí)就會(huì)經(jīng)常看到“太空是真空，聲音不能傳播，拍得太不嚴(yán)謹(jǐn)啦”這樣的彈幕，可見聲音不能在真空中傳播早已深入人心。

也正是因?yàn)槁曇魺o法在真空中傳播，所以在執(zhí)行太空任務(wù)時(shí)，航天員無法通過大聲說話來相互溝通，而不得不使用無線電進(jìn)行通訊。因?yàn)闊o線電通訊的原理是電磁波的傳導(dǎo)，電磁波的傳播無需介質(zhì)。

壓電效應(yīng)：居里兄弟的新發(fā)現(xiàn)

等等！既然電磁波可以在真空中傳播，那如果能將聲波和電磁波進(jìn)行耦合，聲波是否就能在真空中進(jìn)行傳播了呢？1966年，科學(xué)家S. Kaliski就從理論上提出了這樣的方案。

S. Kaliski的想法是采用壓電材料（piezoelectric materials）來實(shí)現(xiàn)聲波與電磁波的耦合，并實(shí)現(xiàn)聲波在真空中的傳播。壓電材料是一種特殊的材料，在受到外部壓力的時(shí)候，壓電材料會(huì)產(chǎn)生形變并在表面積累電荷，產(chǎn)生電壓及電場(chǎng)。

這個(gè)過程反過來也可以實(shí)現(xiàn)，給壓電材料施加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象也被稱為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由居里兄弟：雅克·居里和皮埃爾·居里（居里夫人的丈夫）發(fā)現(xiàn)的，壓電材料目前廣泛應(yīng)用于噴墨打印、高壓、電子設(shè)備中的時(shí)鐘發(fā)生器等領(lǐng)域。

聲波隧穿：讓聲波穿越在真空間隙中

當(dāng)聲波傳播到壓電材料的表面時(shí)，聲波帶來的振動(dòng)通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)，并在真空中誘導(dǎo)出一個(gè)漸逝電場(chǎng)（evanescent electric field）。這個(gè)漸逝電場(chǎng)會(huì)衰減，衰減的距離與聲波的波長(zhǎng)相當(dāng)。如果將另一塊壓電材料慢慢靠近產(chǎn)生漸逝電場(chǎng)的壓電材料，當(dāng)兩塊壓電材料的間距小于聲波的波長(zhǎng)時(shí)，第二塊壓電材料將感受到第一塊壓電材料產(chǎn)生的電場(chǎng)，并通過逆壓電效應(yīng)接收到聲波。

通過這樣的方式，聲波可以跨越一個(gè)波長(zhǎng)大小的真空間隙，從一塊壓電材料傳播到另一塊壓電材料。這個(gè)過程有點(diǎn)類似于量子力學(xué)里面的量子隧穿現(xiàn)象，因而也被稱為“聲波隧穿（acoustic wave tunneling）“或”聲子隧穿（phonon tunneling）”。

理論上聽起來似乎可行，那實(shí)驗(yàn)上真的能實(shí)現(xiàn)嗎？答案是：yes! 在1978年就有這樣的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，M. Balakirev等人采用LiIO3這種壓電材料，實(shí)現(xiàn)了聲波隧穿, 但隧穿效率大約只有50%。即使在理論模型中，100%的聲波隧穿也只能在特定的情況下才能實(shí)現(xiàn)，并且之前沒有得到嚴(yán)格的理論證明。

近日，芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)的研究人員Z. Geng和 I. J. Maasilta通過解析及數(shù)值計(jì)算的方法，嚴(yán)格證明了在真空中, 100%的聲波隧穿可以在兩塊壓電材料中實(shí)現(xiàn)。不過實(shí)現(xiàn)100%隧穿效率的條件比較苛刻，當(dāng)接收聲波的壓電材料有且僅有一種聲音傳導(dǎo)模式，并且這種傳導(dǎo)模式與入射聲波完全匹配時(shí)，才能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)100%的傳輸效率。好在這種現(xiàn)象不依賴于兩塊壓電材料的相對(duì)擺放位置，有利于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

除了采用壓電效應(yīng)，還有很多其他的機(jī)制也可以在真空中實(shí)現(xiàn)聲波隧穿，例如利用卡西米爾或范德華力等?？ㄎ髅谞柫κ怯烧婵諠q落產(chǎn)生的一種力，范德華力是原子之間的相互作用力，這兩種力的作用范圍都在納米尺度。當(dāng)兩塊固體之間的距離非常接近，達(dá)到幾個(gè)納米甚至原子尺度時(shí)，兩塊固體相鄰表面的原子振動(dòng)可以通過卡西米爾力或范德華力進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)聲波的傳遞。

和其他方案相比，采用壓電效應(yīng)進(jìn)行聲波隧穿有明顯的優(yōu)勢(shì)，其隧穿的距離要比其他方案大很多，例如1GHz的聲波可以實(shí)現(xiàn)5微米左右的隧穿。固體中原子的振動(dòng)不僅能傳導(dǎo)聲波，還能傳導(dǎo)熱量，如果基于壓電效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)上真的能實(shí)現(xiàn)100%的聲波/聲子隧穿，將在熱流控制、微機(jī)電器件等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，例如可以在微納芯片中實(shí)現(xiàn)無接觸式散熱，為優(yōu)化微納電子器件散熱提供新思路。