Команда дослідників здатна визначити верхню межу швидкості, яку можуть досягти звукові хвилі
@josemnieves Оновлено: 10/09/2020 18: 55h
Пов’язані новини
Зазвичай ми говоримо, що швидкість звуку становить трохи більше 340 метрів в секунду, і що швидкість світла, набагато швидша, досягає майже 300 000 км в секунду. Тим не менше, як в одному випадку, так і в іншому, це не завжди так. І світло, і звук складаються з хвиль, і швидкість передачі цих хвиль змінюється залежно від середовища, в якому вони поширюються. Наприклад, у вакуумі світло дійсно буде рухатися зі швидкістю 300 000 км за секунду, але у воді воно буде повільнішим. І те саме відбувається зі звуковими хвилями.
Зараз команда дослідників з університетів королеви Мері в Лондоні та Кембриджі разом
вченим з Інституту фізики високого тиску в Троїцьку, Ви щойно виявили, яка максимально можлива швидкість звуку. І виявляється, що це в десятки разів вище вже відомих 340 метрів за секунду. Насправді звукова хвиля може рухатися набагато швидше, до 36 км на секунду, за умови належних умов.
Результат множиться на два попередні "рекорди" швидкості звуку в алмазі, найтвердішому матеріалі, відомому в нашому світі. Робота щойно опублікована в Science Advances, але з нею можна ознайомитись тут .
Швидше на твердих речовинах
Хвилі, як звук або світло, є порушеннями, які переміщують енергію з одного місця в інше. І вони можуть подорожувати через різні середовища, такі як повітря або вода, рухаючись з різною швидкістю, залежно від того, через що вони проходять. Що ще, хвилі рухаються набагато швидше, рухаючись твердими тілами ніж через рідини або гази. Це причина, наприклад, що ми можемо почути поїзд, який наближається набагато раніше, якщо ми притулимо вуха до колій, ніж якщо ми чекаємо, поки його звук дійде до нас по повітрю.
Теорія спеціальної теорії відносності Ейнштейна встановлює абсолютне обмеження швидкості, з якою може рухатися хвиля, тобто швидкість світла, майже 300 000 км в секунду. Однак до цього часу не було відомо, чи звукові хвилі також мають верхню межу швидкості.
У своєму дослідженні дослідники це показують максимально можлива швидкість звуку залежить від двох основних констант: тонка структура і масове співвідношення між протоном і електроном. Обидві величини відіграють важливу роль у розумінні нашого Всесвіту. Його значення, по суті, регулюють ядерні реакції, такі як розпад протонів або ядерний синтез у зірках. А баланс між двома числами забезпечує вузьку "придатну для проживання зону", де планетам і зіркам вдається формуватись, і можуть виникати молекулярні структури, які підтримують життя.
Однак нові висновки свідчать про те, що ці дві фундаментальні константи можуть також впливати на інші наукові галузі, такі як матеріалознавство або фізика конденсованої речовини, встановлюючи межі специфічних властивостей матеріалів, як це відбувається у випадку зі швидкістю звуку.
Перевірка ідеї
Спочатку дослідники отримали теоретичний прогноз, а потім протестували його на широкому діапазоні матеріалів, щоб побачити, чи їхня думка про те, що швидкість звуку повинна зменшуватися із зменшенням маси атомів. Прогноз передбачає, що звук досягає свого обмеження швидкості, коли він проходить крізь твердий атомний водень. Що є проблемою, оскільки водень твердне лише при величезному тиску (понад мільйон атмосфер), тиску, порівнянному з тим, що існує в ядрах газових гігантів, таких як Юпітер.
За таких тисків, по суті, водень перетворюється на захоплюючу металеву тверду речовину яка проводить електрику подібно міді і яка при кімнатній температурі може стати надпровідником. Тому дослідникам довелося виконувати складні сучасні квантово-механічні розрахунки, щоб перевірити їх прогноз. І вони виявили, що дійсно швидкість звуку в твердому атомному водню дуже близька до теоретичної основної межі.
За словами Кріса Пікарда, професора матеріалознавства Кембриджського університету та одного з авторів дослідження, "звукові хвилі в твердих тілах вже дуже важливі в багатьох наукових галузях. Наприклад, сейсмологи використовують звукові хвилі, розпочаті землетрусами глибоко в Землі зрозуміти природу сейсмічних подій та властивості складу планети. Вони також цікавлять вчених-матеріалів, оскільки звукові хвилі пов'язані з важливими пружними властивостями, включаючи здатність протистояти "напрузі".
Костя Траченко, зі свого боку, перший підписант роботи, запевняє, що «ми вважаємо, що висновки цього дослідження можуть мати більше наукових застосувань, допомагаючи нам знаходити і розуміти межі різних властивостей, таких як в'язкість або теплопровідність, відповідні до надпровідності високих температур, плазми та кварк-глюонів і навіть фізики чорних дір ».