С точки зрения классической физики, известной нам еще со времен школьной скамьи, звуковые волны не являются носителем массы. Они лишь переносят импульс энергии, которая заставляет колебаться атомы или молекулы вещества, через которое они проходят. Однако, исследователи из Колумбийского университета после серии теоретических изысканий и расчетов определили, что звуковые волны, представленные в виде квазичастиц – фононов, не только имеют массу, но и производят очень слабое гравитационное поле. Более того, согласно результатам этих расчетов, фононы имеют отрицательную массу и, как следствие, вырабатывают отрицательную гравитацию.
Первый признак, указывающий на наличие отличной от нуля массы у звуковых волн, содержится в так называемой теории точечных частиц (point-particle theory). Согласно этой теории, фононы, находящиеся в среде сверхтекучих жидкостей (супержидкости) при температуре близкой к температуре абсолютного нуля, подвергаются воздействию сил гравитации, при этом, сила взаимодействий зависит исключительно от энергии (импульса) фонона и уравнения, описывающего состояние супержидкости. Если взять за основу традиционные уравнения, то величина взаимодействий фонона и гравитации соответствует отрицательной массе квазичастицы, т.е. под воздействием земной гравитации, к примеру, траектория движения фонона будет загибаться вверх.
Такой эффект абсолютно эквивалентен эффекту стандартного преломления, описываемого законом Снеллиуса (Snell’s law). В присутствии гравитации давление супержидкости зависит от глубины, а от давления, в свою очередь, зависит скорость распространения звуковых волн. В результате этого, фононы в супержидкости не движутся по прямым путям, а это отклонение очень хорошо описывается с точки зрения наличия “гравитационной массы” фонона.
Вычисления массы фонона показали, что она имеет весьма маленькую величину. Если взять супержидкость из гелия-4 и создать в ней фонон с очень высокой для этого вида частиц энергией (1 КэВ/с), то его масса составит 1 ГэВ/с2, т.е. не более массы одного атома гелия.
Сейчас ученые разрабатывают экспериментальную установку, при помощи которой эффект “гравитационной массы” фонона может быть обнаружен и изучен на практике. Предполагается, что роль супержидкости в этой установке будет играть облако сверхожлажденных атомов (конденсат Бозе-Эйнштейна) или определенные молекулярные газы, при помощи которых можно получить низкие значения скорости звуковых волн.
Одним из препятствий, которое стоит на пути ученых, является то, что современные атомные часы и квантовые гравитометры могут обнаруживать изменения гравитационных полей не менее нескольких долей нм/с2. Этого недостаточно для проведения измерений массы фононов и ученым придется прибегнуть к некоторым уловкам для того, чтобы усилить изучаемый эффект. В ином же случае им придется ждать еще достаточно долго, пока не появятся измерительные методы следующих поколений, имеющие приемлемый порог чувствительности.