Ученые нашли верхний предел скорости звука
Теория относительности Альберта Эйнштейна устанавливает абсолютный предел скорости, с которой может двигаться волна, который равен скорости света – 300000 км/сек. Во всяком случае, до недавнего времени было неизвестно, имеют ли звуковые волны также верхний предел скорости при прохождении через твердые тела или жидкости.
Новое исследование, проведенное учеными Лондонского университета королевы Марии в сотрудничестве с Кембриджским университетом и Институтом физики высокого давления в Троицке, выявило максимально возможную скорость звука. Данные результатов показывают, что возможность верхнего предела скорости звука зависит от двух безразмерных фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры и отношения массы протона к массе электрона, сообщает Techexplorist.
Результат – около 36 км/ сек. – примерно в два раза быстрее скорости звука в алмазе, самом твердом известном материале в мире. Отмечается, что две безразмерные фундаментальные константы играют важную роль в понимании нашей Вселенной. Их точно настроенные значения управляют ядерными реакциями – такими, как распад протонов и ядерный синтез в звездах. Баланс между этими двумя числами обеспечивает узкую «обитаемую зону», где могут образовываться звезды и планеты, а также возникать поддерживающие жизнь молекулярные структуры.
Это новое исследование предполагает, что эти две фундаментальные константы могут также влиять на другие научные области – материаловедение и физика конденсированных сред, устанавливая ограничения на конкретные свойства материала, например, скорость звука.
Ученые проверили свои предположения на широком спектре материалов. Они обратились к постулату своей теории, что скорость звука должна уменьшаться с массой атома. Это подразумевает, что звук является самым быстрым в твердом атомарном водороде. Однако водород – атомарное твердое вещество только при очень высоком давлении выше 1 млн атмосфер, которое сравнимо с давлением в ядре газовых гигантов – таких, как Юпитер. При подобных давлениях водород превращается в металлическое твердое тело, проводящее электричество точно так же, как медь, и предсказывается, что он будет сверхпроводником комнатной температуры.
Таким образом, ученые провели самые современные квантово-механические расчеты и обнаружили, что скорость звука твердого атомарного водорода близка к фундаментальному теоретическому пределу.
Профессор Крис Пикард, профессор материаловедения в Кембриджском университете, сказал: «Звуковые волны в твердых телах уже чрезвычайно важны во многих научных областях. Например, сейсмологи используют звуковые волны, вызванные землетрясениями глубоко в недрах земли, чтобы понять природу сейсмических событий и свойства состава Земли». По мнению ученого, волны также представляют интерес для материаловедов, потому что связаны с важными упругими свойствами, включая способность противостоять напряжению.