科學家發現音速上限

倫敦瑪麗女王大學、劍橋大學和特羅伊茨克高壓物理研究所之間的一項研究合作發現了音速可能達到的最快速度--大約每秒36公里,大約是鑽石中音速的兩倍,而鑽石是世界上已知的最硬的材料。

愛因斯坦的狹義相對論設定了波可以傳播的絕對速度限制,即光速,約等於每秒30萬公里。然而,到目前為止,還不知道聲波在固體或液體中傳播時是否也有速度上限。

科學家發現音速上限

發表在《科學進展》雜誌上的這項研究表明,預測音速上限取決於兩個無量綱的基本常數:精細結構常數和質子電子質量比。

這兩個數值在幫助理解我們的宇宙中扮演著重要的角色。它們微調的值控制著恆星中的核反應,如質子衰變和核合成,這兩個數值之間的平衡提供了一個狹窄的“可居住區域”,恆星和行星可以在這裡形成,維持生命的分子結構可以出現。然而,新的發現表明,這兩個基本常數也可以通過限制特定的材料屬性,如聲速,來影響其他科學領域,如材料科學和凝聚態物理。

科學家們在廣泛的材料上測試了他們的理論預測,並提出了他們理論中的一個具體預測,即聲速應該隨著原子的質量而降低。這一預測意味著聲音在固體原子氫中是最快的。然而,氫是一種原子固體,只有在100萬大氣壓以上才有非常高的壓力,壓力可與木星等氣體巨星的核心壓力相媲美。在這些壓力下,氫變成一種迷人的金屬固體導電物質,就像銅一樣,並被預測為室溫超導體。因此,研究人員進行了最先進的量子力學計算來驗證這一預測,發現固體原子氫中的聲速接近理論基本極限。

劍橋大學材料科學教授克里斯·皮卡德(Chris Pickard)表示:“固體中的聲波在許多科學領域已經非常重要。例如,地震學家利用地球內部深處地震引發的聲波來了解地震事件的性質和地球組成的特性。它們也引起材料科學家的興趣,因為聲波與重要的彈性特性有關,包括抵抗壓力的能力。”


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