Mengapakah Bunyi Tidak Boleh Merambat dalam Vakum?

Apabila pembesar suara bergetar, ia menolak dan menarik udara di sekelilingnya. Perubahan tekanan ini bergerak melalui udara sehingga mencapai gegendang telinga. Yang merambat bukan sekumpulan molekul udara yang bergerak dari pembesar suara hingga ke telinga, tetapi gangguan mekanik yang dipindahkan antara bahagian medium. Gangguan inilah yang kita namakan gelombang bunyi.

Apa sebenarnya yang bergerak apabila kita mendengar bunyi?

Bayangkan sebuah pembesar suara menghasilkan satu nada. Membrannya bergerak ke hadapan lalu memampatkan udara di hadapannya, dan apabila membran bergerak ke belakang, tekanan udara berhampiran berkurang. Siri perubahan tekanan ini merambat menjauhi pembesar suara. Dalam udara, bunyi lazimnya diterangkan sebagai gelombang longitudinal, iaitu sesaran zarah medium berlaku terutamanya selari dengan arah perambatan gelombang.

Molekul udara sendiri hanya berayun di sekitar kedudukan keseimbangan secara purata. Molekul yang berada di sebelah pembesar suara tidak perlu menempuh beberapa meter untuk sampai ke telinga seseorang. Analogi barisan orang yang saling menolak boleh membantu kita membayangkan pemindahan gangguan, tetapi analogi itu mempunyai batas, kerana molekul gas tidak tersusun sebagai barisan tetap dan gerakannya pada skala mikroskopik jauh lebih kompleks.

Mengapa medium diperlukan?

Gelombang mekanik memerlukan sesuatu yang boleh mengalami gangguan dan memindahkan gangguan itu kepada kawasan bersebelahan. Dua sifat penting ialah inersia dan keanjalan. Inersia berkaitan dengan kecenderungan jirim mengekalkan keadaan geraknya, manakala keanjalan membolehkan medium menghasilkan daya pemulih apabila dimampatkan, diregangkan atau diubah bentuk. Dalam gas, perubahan tekanan menyediakan mekanisme pemulih itu, dan dalam pepejal, tegasan elastik boleh membawa beberapa jenis gelombang mekanik.

Kelajuan bunyi kerana itu bergantung pada sifat medium. Bagi bendalir dalam keadaan yang sesuai, kelajuan bunyi boleh dihampiri dengan persamaan v = √(B/ρ), dengan v ialah kelajuan bunyi, B modulus pukal adiabatik (isentropik) medium dan ρ ketumpatannya. Persamaan ini menunjukkan bahawa kelajuan bunyi bukan pemalar sejagat, kerana ia bergantung pada sifat mekanik bahan. National Institute of Standards and Technology menggunakan pengukuran akustik berketepatan tinggi dalam gas, termasuk resonator akustik yang frekuensinya bergantung pada kelajuan bunyi dalam gas, untuk menentukan sifat termodinamik.

Apa yang hilang apabila udara dipam keluar?

Bayangkan sebuah loceng elektrik di dalam kebuk tertutup. Pada mulanya kebuk itu mengandungi udara, dan getaran loceng mengganggu gas lalu menghasilkan gelombang tekanan yang boleh sampai ke dinding kebuk. Apabila semakin banyak gas dikeluarkan, semakin sedikit medium yang ada untuk menggandingkan getaran sumber kepada persekitaran melalui gas, jadi bunyi yang dihantar melalui gas menjadi semakin lemah. Dalam vakum ideal, tiada zarah bahan untuk menyokong gelombang tekanan akustik, maka bunyi tidak boleh merambat melalui ruang tersebut.

Namun eksperimen sebenar memerlukan satu peringatan. Kebuk vakum mempunyai dinding dan sokongan pepejal, dan getaran boleh sampai kepada alat pengesan melalui struktur itu. Oleh itu, mendengar sesuatu semasa eksperimen vakum tidak semestinya membuktikan bahawa bunyi telah merambat melalui vakum. Laluan penghantaran perlu dikenal pasti dahulu, dan kebuk perlu dikurangkan tekanan gasnya secara terkawal sambil amplitud isyarat akustik diukur.

Mengapa cahaya tidak menghadapi masalah yang sama?

Cahaya ialah gelombang elektromagnet, bukan gelombang mekanik. Medan elektrik yang berubah berkait dengan medan magnet yang berubah, dan gangguan elektromagnet boleh merambat melalui vakum. Oleh itu, cahaya Matahari boleh merentasi ruang antara Matahari dengan Bumi walaupun sebahagian besar ruang itu sangat hampir kepada vakum. NASA menerangkan bahawa gelombang elektromagnet, tidak seperti gelombang mekanik, tidak memerlukan medium bahan dan boleh merambat melalui vakum angkasa.

Ini tidak bermaksud cahaya sentiasa merambat dengan sifat yang sama dalam semua bahan. Apabila cahaya melalui jirim, interaksinya dengan bahan boleh mengubah kelajuan fasa, arah, penyerapan dan sifat lain. Perbezaan asasnya ialah cahaya boleh merambat dalam vakum, sedangkan bunyi mekanik biasa tidak boleh.

Adakah angkasa benar-benar kosong?

Ruang angkasa sebenar bukan vakum ideal yang langsung tiada zarah. Angin suria, sebagai contoh, mengandungi plasma yang terdiri daripada zarah bercas. NASA mengukur zarah dan medan dalam plasma antara planet, dan hasilnya menunjukkan bahawa persekitaran angkasa mempunyai ketumpatan yang sangat rendah tetapi bukan sifar. Dalam plasma yang sangat jarang, pelbagai jenis gelombang boleh merambat, termasuk gelombang plasma yang melibatkan gerakan kolektif zarah bercas dan perubahan medan elektromagnet. Data gelombang atau perubahan medan ini boleh dipetakan kepada julat audio melalui sonifikasi supaya coraknya dapat didengar.

Hal ini tidak sama dengan seorang angkasawan mendengar bunyi melalui ruang kosong menggunakan telinga. Telinga manusia memerlukan perubahan tekanan mekanik pada medium yang bergandingan dengan gegendang telinga. Data elektromagnet atau plasma yang diterjemahkan oleh komputer menjadi audio ialah representasi data, bukan bukti bahawa ruang vakum dipenuhi bunyi biasa.