Đường đi và đến của âm thanh (2):

"Lỗ đen" và siêu vật liệu âm học

Trương Văn Tân

Thị tại môn tiền náo

Nguyễn Công Trứ

Đường đi và đến của âm thanh được quan sát trong những hiện tượng thiên nhiên và cách lợi dụng âm thanh của các loài động vật đã được mô tả trong bài viết trước. Trong cùng một đề tài, bài viết này trình bày những thao tác khoa học của con người nhằm "triệt tiêu" âm thanh tạo ra một không gian tuyệt đối yên tĩnh hay gia giảm vận tốc âm thanh để điều chỉnh đường sóng đi quanh mục tiêu kể cả việc "đạp thắng" giảm tốc từ một vận tốc hơn 20.000 km/h tiến tới vận tốc zero ở một khoảng cách chỉ vài xentimét. Trong quá trình thao tác khoa học, các nhà khoa học đã chế tạo ra công cụ và vật liệu mới gọi là "lỗ đen" âm học cho ứng dụng chống rung hay "siêu vật liệu" có những đặc tính không tìm thấy trong vật liệu thiên nhiên. Tất cả đều dựa trên những quy luật vật lý được biểu hiện bởi những phương trình toán học đơn giản và dễ hiểu.

***

"Lỗ đen" trong vũ trụ đã gắn liền với tên tuổi của nhà khoa học lừng danh Steve Hawking. Giải Nobel Vật lý 2020 đã trao cho ba nhà khoa học Roger Penrose, Reinhard Genzel và Andrea Ghez cho việc tiên đoán và phát hiện "lỗ đen". Những hiện tượng được phát hiện cho sóng điện từ thường có thể lặp lại với sóng âm và lý giải với những phương trình giống nhau. Như vậy, nếu có "lỗ đen" cho sóng điện từ trong vũ trụ cách quả đất 55 triệu năm ánh sáng thì chắc hẳn cũng có "lỗ đen" cho sóng âm hiện hữu trước mắt trong thế giới đời thường. Hiểu một cách đơn giản, "lỗ đen" vũ trụ có trọng trường cực lớn nên tất cả mọi vật kể cả sóng điện từ (ánh sáng) đều bị hút vào "lỗ đen". Tương tự, khi âm thanh lọt vào "lỗ đen" âm học thì bất kỳ không có sự phản âm (acoustic reflection) nào, âm thanh hoàn toàn triệt tiêu đem lại sự yên tĩnh tuyệt đối. Nửa thế kỷ trước, khi khái niệm "lỗ đen" còn là những điều trừu tượng thì đã có một nhà vật lý trẻ tưởng tượng ra tình huống có một người trượt chân té xuống một dòng thác, người trượt chân sẽ la lên cầu cứu. Giả sử dòng thác chảy xuống không gây ra tiếng động, những người bạn của nạn nhân sẽ nghe được tiếng cầu cứu bên trên dòng thác. Tuy nhiên, nếu dòng thác chảy xuống với tốc độ nhanh hơn tốc độ của âm thanh trong nước (1500 mét trong 1 giây) thì tiếng la sẽ bị dìm trong dòng thác, không thoát ra ngoài. Những người bạn bên trên không còn nghe được tiếng la cầu cứu của nạn nhân. Dòng thác giả tưởng này là "lỗ đen" âm học.

Trước khi thực thể "lỗ đen" được quan sát trong vũ trụ thì đã có những nỗ lực thực nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng sóng âm để quan sát điều tiên đoán trong lý thuyết Hawking [1]. Ngày nay, thuật ngữ "lỗ đen" được cộng đồng vật lý âm học vay mượn từ các đồng nghiệp vật lý thiên văn nhưng mang ý nghĩa thoáng rộng hơn, không những để nói về một hiện tượng trong đó không có sự phản âm và âm thanh hoàn toàn bị hấp thụ, mà còn để chỉ đến công cụ hay thiết kế làm triệt tiêu những rung động (vibration) gây ra sóng cơ học (sóng âm, sóng biển, sóng động đất).

Bài viết không đề cập vấn đề của vũ trụ và sự liên quan mang tính lý thuyết với "lỗ đen" âm học vì nó vượt qua sự hiểu biết của người viết. Bài viết trước nói về "Đường đi và đến của âm thanh" [2] xảy ra trong thiên nhiên. Như một tiếp nối, bài viết này nói về "lỗ đen" và siêu vật liệu âm học (acoustic metamaterial) trong cuộc sống đời thường trên quả đất. Vấn đề xoay quanh những phương pháp sao cho không có sự phản hồi sóng hay là phản âm. Chẳng hạn, ta "lừa" sóng đi vào ngõ cụt rồi "dập tắt" chúng trong căn phòng không phản âm (anechoic chamber) hay trong ống "lỗ đen". Ta có thể bẻ cong đường đi của sóng trượt quanh một mục tiêu để sự phản âm không xảy ra, thực hiện hiệu ứng tàng hình âm học (tàng âm). Và cuối cùng ta "đạp thắng" giảm tốc khiến vận tốc sóng tiến đến zero và sóng không thể phản hồi, cuối cùng bị "kẹt" trong một thanh kim loại tạo ra "lỗ đen" dùng cho việc chống rung. Không nghi ngờ, "lỗ đen" và siêu vật liệu âm học sẽ cho nhiều ứng dụng độc đáo trong tương lai.