作者:文乐乐 来源: 中国科学报 发布时间:2020-10-12
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声音每秒最快传多远

 

声波通过原子间的相互作用而传播,这限制了其速度。图片来源:Alex Drai/Alamy

自爱因斯坦1905年提出狭义相对论以来,任何一种波——无论电磁波还是引力波,在真空中传播的宇宙速度极限已为人所知。但是,声音在固体或液体中移动的最大速度近日才首次被计算出来——约为每秒36千米,仅为真空中光速的1/8000。10月9日,相关研究发表于《科学进展》。

为进行这一计算,英国伦敦玛丽女王大学的Kostya Trachenko和同事从两个著名的物理常数入手:质子—电子质量比以及精细结构常数。

Trachenko表示,这些数值哪怕有一点点改变,宇宙就完全不是现在这样。“如果这些常数改变了百分之几,那么质子可能会不稳定,甚至可能没有恒星合成重元素的过程,进而没有碳、没有生命。”他说。

声音是一种通过相邻粒子相互作用而传播的波,因而其速度取决于材料的密度以及材料内部原子的结合方式,声音的速度受到原子移动速度的限制。

Trachenko和同事利用这一事实以及质子—电子质量比和精细结构常数,计算出了理论上声音在任何液体或固体中传播的最大速度:大约每秒36千米。

“通常认为金刚石的声速最高,因为它是最坚硬的材料,但我们不知道它是否有一个理论上的基本极限。” Trachenko说。而理论极限大约是钻石声速的两倍。

声速还取决于材料中原子的质量,因此研究人员预测,固体金属氢(理论上存在于巨行星中心的一种材料,但实验室证据一直存在争议)应该具有最高的声速。他们计算出,该速度应该接近理论极限。他们还研究了133种材料的实验数据,发现没有一种材料突破极限。

然而,爱丁堡大学的Graeme Ackland表示,目前还不清楚计算结果是否为速度极限。“我没有看到一个很好的基本原理来解释为什么它是一个界限。我并不完全信服。”他说,还需要做更多的工作以确定声音如何在重元素中传播。(文乐乐)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8662

《中国科学报》 (2020-10-12 第2版 国际)
 
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