科學家表示他們終於發現了音速的上限

科學家表示他們終於發現了音速的上限

倫敦瑪麗皇后大學、劍橋大學和特羅伊茨克高壓物理研究所合作研究,發現了音速的上限。

在這之前,我們先來簡單的科普一下。聲波可以通過不同的介質,如空氣或水,並以不同的速度移動,這取決於他們正在傳輸的介質的傳遞狀況。而聲波在固體中的移動速度,會比在液體或氣體中的移動速度要快得多,這就是為什麼如果你聽著聲音在鐵軌中傳播而不是在空氣中傳播,你能夠更快地聽到接近的火車的聲音。

愛因斯坦的狹義相對論設定了波的絕對速度極限,也就是光速,約等於每秒30萬公里。然而直到現在,人們還不知道聲波在穿過固體或液體時是否也有速度上限。

一般來說,我們將音速的定義為每秒340 公尺,每小時1224公里,這是依據聲音在空氣之中的傳輸速度而定,並非聲波的最快速度。

決定聲波速度的上限,來自於兩個關鍵的無因次量:精細結構常數和質子電子質量比。

所謂無因次量,是一個單純的數字,沒有諸如長度、時間等單位。我們比較熟悉的無因次量包括圓周率π、自然常數e等。精細結構常數α就是這樣一個無因次量,指的是電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空光速的比值。質子電子質量比更為直觀,即質子和電子的質量比值。

這兩個數字在理解我們的宇宙中已經發揮了重要作用。它們的微調值支配著恒星中的核反應,如質子衰變和核合成。然而,新的研究結果表明,這兩個基本常數也能影響其他科學領域,如材料科學和凝聚態物理學,通過對特定的物質屬性(如音速)設定限制。科學家因此可以得到一個新的無因次量:凝聚相中的音速與真空光速的比值。

因此,他們算出了音速的上限,計算結果約為36100m/s。

那麼,在什麼樣的材料上才可以找到這種極限音速呢?科學家們在一系列材料上進行了實驗和計算,最終認為極限的音速會出現在質量最小的原子,氫原子中。

不過,一般情況下,氫原子都是以氫氣的形態出現的,因此還需要把把它們以極高的壓力才能壓成固體,這個壓力估計要超過100萬倍大氣壓。在如此的高壓下,氫變身為一種金屬固體導電體,就像銅一樣。在這個情況下,音速才能夠達到上限。

而在正常情況下,目前世界上已知最堅硬的材質為鑽石,聲音在鑽石裡頭的速度為每秒18公里,則是這個速度的一半。

 

 

 

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