科学家首次确认声音速度极限,约为空气中传播速度的105倍

学术头条

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· 10月12日

近日,伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学和俄罗斯特洛伊茨克高压物理研究所的科学家们,发现了宇宙中声音可能的最快传播速度,即大约 36 千米/秒。

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科学家首次确认声音速度极限,约为空气中传播速度的105倍

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图片来源@视觉中国

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文丨学术头条,编审丨王新凯

波,如声波或光波,是将能量从一个地方移动到另一个地方的干扰现象。声波可以通过不同的介质,如空气或水,并以不同的速度传播。也就是说,声音的传播速度,取决于它们通过的介质是什么。

从中学物理课上我们就知道,声音在空气中的传播速度大约是 340 米 / 秒,而声音在固体中的传播则更快,比如在地球上已知的最坚硬的物质金刚石(钻石)中,声音的传播速度能够达到 18 千米 / 秒。

但是,一直以来科学家们并不知道,声波在固体或液体传播时,是否像光速一样也存在速度上限。

近日,伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学和俄罗斯特洛伊茨克高压物理研究所的科学家们,发现了宇宙中声音可能的最快传播速度,即大约 36 千米 / 秒,相当于声音在金刚石中速度的两倍,空气中速度的 105 倍,约真空中光速的 8000 分之一。

这一研究结果,发表在《科学进展》杂志上。

波的速度极限

自从阿尔伯特・爱因斯坦 1905 年提出狭义相对论以来,任何一种波 —— 无论是电磁波(包括可见光)还是引力波 —— 在真空中传播的绝对速度极限就已经为人所知,大约等于 30 万千米 / 秒。

声波又与光波有所不同,它是一种通过使相邻粒子相互作用而传播的波。所以声波的传播速度,取决于通过材料的密度以及内部原子的结合方式。

也就是说,一个物质的原子撑死了只能移动这么快,那么声音的速度,也就受到了这种物质原子移动速度的限制。

通常来说,声音在固体中的传播速度比液体快,而液体中的传播速度又比气体快。例如,声音在钢铁中传播的速度要比在水或空气中快得多,这就是为什么我们耳朵贴近铁轨,能更快听到火车靠近的声音。

为了寻找声波的理论最大传播速度,伦敦玛丽皇后大学的 Kostya Trachenko 和他的同事们从两个众所周知的物理常数开始:质子质量与电子质量的比值,以及表示带电粒子间相互作用强度的精细结构常数(物理学中一个重要的无量纲数,表示电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值)。

这两个数字在我们理解宇宙中起着重要的作用。它们巧妙且精确地控制着恒星中的质子衰变和核聚变等核反应。并且,这两个数字之间的平衡,提供了一个狭窄的 “宜居地带”,在这里,恒星和行星可以形成,支持生命的分子结构可以出现。

Trachenko 表示,我们对这些宇宙常熟已经有非常深入的了解,因为如果它们发生哪怕一点点的变化,宇宙就会完全不像现在这样。

“如果你把这些常数改变几个百分点,那么质子可能就不再稳定了,你甚至可能无法在恒星中进行合成重元素的过程,所以就不会有碳和生命了。”

而有趣的是,新的发现表明,这两个基本常数也可以通过限制特定的材料属性,如声速。

最大速度是如何计算出来的?

研究人员根据他们的理论预测,声波的传播速度,应该随着介质原子质量的增加而减小。

这一预测意味着,理论上存在于巨行星中心的固体金属氢,应该有最高的声速。然而,固态氢需要在 100 万倍大气压以上的条件下才能存在,这样的压力条件,堪比木星这样的气态巨星核心,在地球上根本不可能存在。

在这样的压力下,氢变成了一种迷人的金属固体,像铜一样导电,并且被预测为室温超导体。因此,研究人员通过最先进的量子力学计算来测试这一预测,并发现固体氢原子中的声速接近理论的基本极限,即 36100 米 / 秒。

Trachenko 表示,“人们普遍认为,钻石的声速最高,因为它是最硬的材料,但我们之前并不知道声音在理论上是否存在基本极限。”

研究人员还查看了 133 种材料的实验数据,发现没有一种材料突破 36 千米 / 秒的理论极限。

剑桥大学材料科学教授 Chris Pickard 说:“固体中的声波在许多科学领域已经非常重要。例如,地震学家利用地球内部深处地震引发的声波来了解地震事件的性质和地球成分的性质。材料科学家对声波也很感兴趣,因为声波与重要的弹性特性有关,包括抗压能力。”

研究人员也在论文中表示,“我们通过大量的实验数据和氢原子的第一性原理计算(基于量子力学原理的计算),来支持这个结果。我们的结果扩展了目前对基本常数如何对重要物理性质施加新的限制的理解。”

然而,没有参与该项研究的英国爱丁堡大学的格雷姆・阿克兰 (Graeme Ackland) 表示,目前还不清楚计算结果是否就是速度上限。

“你可以用这些基本常数来得到一些以速度为单位的东西,但是我不知道为什么它是一个界限。我并不完全信服。还需要做更多的工作来确定声音是如何通过重元素传播的。”

无论如何,现代科学尤其是物理学的进步,就是在不断推翻、扩展和完善前人结论的认识,从而提高人类对自然、对宇宙奥秘的了解。我们也期待未来物理学能够更大的新发现。

参考资料:
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
https://www.qmul.ac.uk/media/news/2020/se/scientists-find-upper-limit-for-the-speed-of-sound.html
https://www.newscientist.com/article/2256743-physicists-have-discovered-the-ultimate-speed-limit-of-sound/

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