科学家表示他们终于发现了音速的上限

伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学和特罗伊茨克高压物理研究所合作研究,发现了音速的上限。

在这之前,我们先来简单的科普一下。声波可以通过不同的介质,如空气或水,并以不同的速度移动,这取决于他们正在传输的介质的传递状况。而声波在固体中的移动速度,会比在液体或气体中的移动速度要快得多,这就是为什么如果你听着声音在铁轨中传播而不是在空气中传播,你能够更快地听到接近的火车的声音。

爱因斯坦的狭义相对论设置了波的绝对速度极限,也就是光速,约等于每秒30万公里。然而直到现在,人们还不知道声波在穿过固体或液体时是否也有速度上限。

一般来说,我们将音速的定义为每秒340米,每小时1224公里,这是依据声音在空气之中的传输速度而定,并非声波的最快速度。

决定声波速度的上限,来自于两个关键的无因次量:精细结构常数和质子电子质量比。

所谓无因次量,是一个单纯的数字,没有诸如长度、时间等单位。我们比较熟悉的无因次量包括圆周率π、自然常数e等。精细结构常数α就是这样一个无因次量,指的是电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空光速的比值。质子电子质量比更为直观,即质子和电子的质量比值。

这两个数字在理解我们的宇宙中已经发挥了重要作用。它们的微调值支配着恒星中的核反应,如质子衰变和核合成。然而,新的研究结果表明,这两个基本常数也能影响其他科学领域,如材料科学和凝聚态物理学,通过对特定的物质属性(如音速)设置限制。科学家因此可以得到一个新的无因次量:凝聚相中的音速与真空光速的比值。

因此,他们算出了音速的上限,计算结果约为36100m/s。

那么,在什么样的材料上才可以找到这种极限音速呢?科学家们在一系列材料上进行了实验和计算,最终认为极限的音速会出现在质量最小的原子,氢原子中。

不过,一般情况下,氢原子都是以氢气的形态出现的,因此还需要把把它们以极高的压力才能压成固体,这个压力估计要超过100万倍大气压。在如此的高压下,氢变身为一种金属固体导电体,就像铜一样。在这个情况下,音速才能够达到上限。

而在正常情况下,目前世界上已知最坚硬的材质为钻石,声音在钻石里面的速度为每秒18公里,则是这个速度的一半。

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