物理学家确认了宇宙中声音传播速度的极限

爱因斯坦的狭义相对论为我们指出了宇宙的速度极限——真空中的光速。但是,声音的传播需要介质,而在所有介质中绝对最高音速是多少呢?

测量每种材料中的声速是不现实的,但是科学家现在设法根据自然定律中的基本常数为声音的传播确定了速度上限。

根据计算,声音在所有介质中的最高速度不能超过每秒36公里,大约是钻石中传播速度的两倍。

声音和光都以波的形式传播,但行为略有不同。可见光是电磁辐射的一种形式,之所以这么称呼是因为光波由振荡的电场和磁场组成。这些场形成了可以在真空中传播的自持久电磁波,其最高速度约为每秒30万公里。进入诸如水或大气之类的介质,光速会变慢。

声音是由介质中的振动引起的机械波。当波通过介质时,介质的分子会相互碰撞,并传递能量。

因此,介质越硬——压缩越困难——声音传播得越快。例如,比起空气,声音在水中传播得更快,这就是为什么鲸鱼可以在海洋里进行超远距离的交流。

在坚硬的固体(如钻石)中,声音传播的速度甚至更快。当地震声波穿透地幔时,我们就能从中获取地球内部的信息。我们甚至可以凭此来了解恒星的内部。

英国剑桥大学的材料科学家Chris Pickard说:“固体中的声波在许多领域中已经变得非常重要。地震学家利用地震波来分析地震事件的性质和地球内部构造的特性。材料科学家也对固体中的声波很感兴趣,因为与重要的弹性特征有关,包括抗压力。”

所以,我们期望弄清声音的速度极限。伦敦玛丽皇后大学,英国剑桥大学和俄罗斯高压物理研究所的科学家团队发现,声速取决于两个基本常数。

一个是精细结构常数,它表征了基本带电粒子之间电磁相互作用的强度。另一个是质子与电子的质量比,即质子质量除以电子质量。

“精细结构常数和质子电子质量比的微调值,以及它们之间的平衡,控制着核反应,例如质子衰变和恒星中的核聚变,从而导致基本化学元素的生成;这种平衡在空间中提供了一个狭窄的“可居住区域”,恒星和行星,乃至生命的分子结构均来源于此。我们表明,精细结构常数与质子电子质量比的简单组合会导致另一个无量纲的量,它可以表征凝聚相的关键特性——波在固体和液体中的传播速度,或者说声音的速度。”

为了证实他们的方程式,研究小组通过实验测量了声音在多种元素固体和液体中的传播速度,并返回了与预测相符的结果。

理论的另一个具体预言是,声速应随介质元素的原子质量增大而降低。据此可知,声音的极限速度应该是波通过固态氢晶体时的速度。问题是,固态氢只能在极高的压力下存在——100吉帕斯卡,1吉帕斯卡是1GPa,1000000MPa,就是 1 000 000 000Pa。

所以直接通过实验验证,将非常困难,因此该团队基于固体氢的性质进行计算。他们发现,结果再次符合理论预期。

如果方程式的结果保持一致,则它可能被证明是有价值的工具,不仅可用于理解具体的材料,而且放之全宇宙也是如此。

伦敦女王玛丽大学的物理学家Kostya Trachenko说:“我们相信这项研究可帮助我们发现和理解与高温超导有关的不同特性(例如粘度和导热率)的极限;同时还具有更进一步应用的可能,如在夸克胶子等离子体甚至黑洞物理学领域。”

该研究已发表在《科学进展》上。

原文:https://www.sciencealert.com/we-finally-have-an-upper-limit-for-the-speed-of-sound

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