Совместные исследования Лондонского университета Королевы Марии, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке открыли максимально возможную скорость звука. Полученный результат — около 36 км в секунду — примерно в два раза быстрее, чем скорость звука в алмазе, самом твердом известном материале в мире.
Волны, такие как звуковые или световые волны, — это возмущения, которые перемещают энергию из одного места в другое. Звуковые волны могут проходить через разные среды, такие как воздух или вода, и двигаться с разной скоростью в зависимости от того, через что они проходят.
Например, они движутся через твердые тела намного быстрее, чем через жидкости или газы, поэтому вы можете услышать приближающийся поезд намного быстрее, если вы будете слушать звук, распространяющийся по рельсовым путям, а не через воздух.
Специальная теория относительности Эйнштейна устанавливает абсолютный предел скорости, с которым может двигаться волна, который равен скорости света, что составляет около 300 000 км в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при движении через твердые тела или жидкости.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что предсказание верхнего предела скорости звука зависит от двух безразмерных фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры и отношения масс протона к электрону.
Уже известно, что эти два числа играют важную роль в понимании нашей Вселенной. Их значения управляют ядерными реакциями, такими как распад протона и ядерный синтез в звездах, а баланс между двумя числами обеспечивает узкую «обитаемую зону», где могут образовываться звезды и планеты и могут возникать поддерживающие жизнь молекулярные структуры.
Однако новые результаты показывают, что эти две фундаментальные константы также могут влиять на другие области науки, такие как материаловедение и физика конденсированного состояния, путем установления ограничений на определенные свойства материала, такие как скорость звука.
Ученые проверили свое теоретическое предсказание на широком спектре материалов и обратились к одному конкретному предсказанию своей теории, согласно которому скорость звука должна уменьшаться с массой атома.
Это предсказание подразумевает, что самый быстрый звук будет в твердом атомарном водороде. Однако водород представляет собой твердое тело только при очень высоком давлением, превышающим 1 миллион атмосфер, давление сравнимо с давлением в ядре газовых гигантов, таких как Юпитер.
При таких давлениях водород становится удивительным металлическим твердым телом, проводящим электричество, точно так же, как медь, и, как предсказывают, является сверхпроводником при комнатной температуре. Поэтому исследователи выполнили современные квантово-механические расчеты, чтобы проверить это предсказание, и обнаружили, что скорость звука в твердом атомарном водороде близка к теоретическому фундаментальному пределу скорости.
Профессор Крис Пикард, профессор материаловедения в Кембриджском университете, сказал: «Звуковые волны в твердых телах уже имеют огромное значение во многих областях науки. Например, сейсмологи используют звуковые волны, вызванные землетрясениями глубоко внутри Земли, чтобы понять природу сейсмических воздействий. события и свойства состава Земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что звуковые волны связаны с важными упругими свойствами, включая способность противостоять нагрузкам».
«Speed of sound from fundamental physical constants» Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abc8662