聲速上限是空氣中聲速的100多倍
聲速上限是空氣中聲速的100多倍
轉(zhuǎn)載自《環(huán)球科學(xué)》
聲波或光波有速度極限嗎？
愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論定義了波傳播的絕對(duì)速度極限，那就是光速，它大約等于3×10?米/秒，沒(méi)有任何東西能比光速更快。然而，對(duì)于聲波來(lái)說(shuō)，我們其實(shí)并不知道它在通過(guò)固體或液體時(shí)是否也存在一個(gè)速度上限。
最近，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩個(gè)基本常數(shù)預(yù)測(cè)出，在正常情況下，聲波的傳播速度不能超過(guò)36千米/秒。這個(gè)極限大約是聲波在空氣中的傳播速度（~340米/秒）的106倍左右，它意味著在地球上自然存在的條件下，任何物質(zhì)都不能承載超過(guò)這個(gè)極限的聲波。研究結(jié)果被發(fā)表在了最近的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
這兩個(gè)基本常數(shù)是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)（α）和質(zhì)子-電子質(zhì)量比（ mp/me）。這是兩個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，沒(méi)有單位的無(wú)量綱常數(shù)的數(shù)值不依賴于任何單位的選擇。這樣的常數(shù)常常令物理學(xué)家著迷，它們的數(shù)值對(duì)于我們所知的宇宙的存在至關(guān)重要。它們的數(shù)值仿佛被“精細(xì)調(diào)節(jié)”過(guò)。然而，沒(méi)人能解釋為什么這些重要的數(shù)字具有這樣的值。
可以說(shuō)，這兩個(gè)基本常數(shù)控制了恒星中的質(zhì)子衰變和核合成等過(guò)程，這二者的平衡提供了一個(gè)狹窄的“宜居帶”，在這里，恒星和行星可以形成，支持生命的分子結(jié)構(gòu)能得以出現(xiàn)。
而新的研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)數(shù)字不僅對(duì)于我們理解宇宙有著重要意義，它們還可以影響到一些離我們的生活更加貼近的其他科學(xué)領(lǐng)域，比如材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)，擴(kuò)展到一些更加普通的概念上，比如聲速。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這兩個(gè)常數(shù)以正確的方式組合在一起時(shí)，就能從中推算出聲速的極限。
聲音的速度上限可以由兩個(gè)無(wú)量綱常數(shù)（精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)、質(zhì)子-電子質(zhì)量比）給出。
聲波是由原子或分子的振動(dòng)構(gòu)成的，當(dāng)聲波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，一個(gè)粒子與另一個(gè)粒子碰撞。在不同的物質(zhì)中，聲音會(huì)以不同的速度傳播，比如它們?cè)诠腆w中傳播的速度要比在液體或氣體中快得多。聲音的速度取決于很多因素，比如將物質(zhì)結(jié)合在一起的化學(xué)鍵類(lèi)型，以及原子的質(zhì)量。在聲音的最大速度計(jì)算中，基本常數(shù)的作用是由聲波穿過(guò)物質(zhì)的方式?jīng)Q定的。聲音的傳播依賴于相鄰原子的電子的電磁相互作用，這也正是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)發(fā)揮作用的地方；而質(zhì)子-電子的質(zhì)量比之所以重要，是因?yàn)楸M管電子在相互作用，但原子核會(huì)因此而移動(dòng)。
研究人員推算出的極限數(shù)值約等于36100米/秒，這個(gè)極限適用于在地球常見(jiàn)壓力下的固體和液體。他們?cè)谠S多材料上測(cè)試了這一理論預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)過(guò)去在任何液體和固體中所測(cè)量的聲速，都沒(méi)有超過(guò)這一提出的理論極限。在此之前，聲速的最大值是在鉆石中測(cè)得的，它只有這一理論預(yù)測(cè)的一半左右。
那么這一極限完全沒(méi)有可能被突破嗎？這一點(diǎn)與他們理論中的一個(gè)具體預(yù)測(cè)有關(guān)，即聲速應(yīng)該隨著原子質(zhì)量的增加而減小，這一預(yù)測(cè)意味著，聲音在固體氫原子中的速度應(yīng)該最快。這一點(diǎn)得到了他們所進(jìn)行的各項(xiàng)測(cè)試的檢驗(yàn)，但是對(duì)于“固態(tài)氫”中的聲速，卻只能通過(guò)計(jì)算而無(wú)法直接展開(kāi)測(cè)量。
當(dāng)對(duì)氫施加百萬(wàn)倍于大氣壓的壓力時(shí)，氫會(huì)被壓縮成固體，在這樣的情況下，有理論認(rèn)為，氫會(huì)成為能導(dǎo)電的金屬氫，并且有可能具有室溫超導(dǎo)性。今年年初，一個(gè)法國(guó)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據(jù)，但至今為止，這種金屬氫并沒(méi)有被完全地令人信服地制造出來(lái)，因此在新的研究中，物理學(xué)家只能對(duì)金屬氫中的聲速進(jìn)行計(jì)算，而無(wú)法展開(kāi)任何測(cè)量。
研究人員進(jìn)行了量子力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，固體氫原子中的聲速接近理論的基本極限，當(dāng)壓力超過(guò)地球大氣壓力的600萬(wàn)倍時(shí)，聲速極限將被打破。這意味著，在極高的壓強(qiáng)下，聲波的傳播速度或許可以突破這個(gè)極限。
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