声音由气体、液体和固体中原子的周期性振动传递。当我们彼此交谈时，说话者的声带振动，使从肺部呼出的空气也随之振动。这会产生声波，声波随后在空气中传播，直到抵达听者的耳膜并使其振动。听者便能根据这些振动还原说话者的话语。
声音会受到传播环境以及声波频率的影响。我们设计乐器来调控其产生的声波。此外，我们知道，存在超出人类听觉范围的声波，例如狗哨发出的声波。物理学家研究人类听觉范围内外的声音时，发现了许多有趣的特性。
一百多年前，物理学家认识到，热不过是储存在原子振动中的能量，因此意识到热与声音有关。如今，我的实验室首次通过实验表明，这些原子振动也具有磁性。
拓展我们对声音的认识
20世纪30年代，物理学家开始将原子振动建模为粒子。这与光既是波又是粒子的概念相似；我们把光粒子称为光子。物理学家将声波粒子称为“声子”，这一名称源自希腊语中表示声音的词。
如今，物理学家将声子视为准粒子，认为它们兼具波和粒子的性质。声子传递声音和热量。在金属中，热量主要通过原子中的电子运动传递。然而，在所有其他材料中，热量几乎完全由声子传递。
因此，声波的力学、声学和热学特性早已得到确立。然而，在此之前，从未有人设想过声波也可能具有磁性。
热、声音……还有磁性？
在 3月23日出版的《自然·材料》中，我们提供了实验证据，证明声波确实会与外部磁场相互作用。
这项实验使用了一块体积较大的高纯度锑化铟半导体单晶。晶体被切成大小不等的两部分，随后冷却至约-445F（-265C）。我们分别控制热量流经两部分的量。在这些温度下，可以把声子视为独立粒子，就像赛道上的跑者，每个人都带着一小桶热量。
在较小的部分，声子常常撞上壁面，从而减慢速度。较小部分用作参照，以确保实验不受固体其他可能造成干扰的性质影响。在较大的部分，声子可以移动得更快；它们撞上彼此的次数多于撞上壁面的次数。施加磁场后，它们彼此碰撞的频率往往会增加。由于磁场增加了碰撞次数，声子也因此减速，其传递的热量减少了12%。
我们认为，这与固体中围绕每个原子作轨道运动的电子有关。这些电子的轨道运动会产生极微弱的固有磁场，并与外加磁场相互作用——这种效应称为“抗磁性”。即使是我们通常不认为具有磁性的物质，如玻璃、石头或塑料，也具有这一性质。声子经过时，原子会发生振动；这种相互作用会对原子产生作用力，使声子彼此碰撞得更加频繁。
这些结果能带来什么？
目前，我们只是描述了一个全新的概念，一个此前从未有人想到过的概念。工程师或许可以利用这一概念，通过磁场控制热和声波。利用多个声源已经能够有效引导声波，例如超声成像系统便采用了这种方法；但控制热传导要困难得多。
将热转化为电能或机械能——发动机和发电站便是如此——供应了人类所用能源的90%以上。因此，如果能够随意控制热传导，可能会对能源生产产生巨大影响。不过，显然，这一新兴概念距离实际应用仍有相当长的路要走。
本文最初发表于 The Conversation。 阅读原文。本文发表并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Joseph Heremans 是俄亥俄州立大学机械与航空航天工程、物理学以及材料科学与工程学教授。
图片：布鲁塞尔原子球塔正式落成典礼期间的景象。路透社。