вчені

Кредит: CC0 Public Domain

Дослідницька співпраця Лондонського університету королеви Марії, Кембриджського університету та Інституту фізики високого тиску в Троїцьку виявила якнайшвидшу швидкість звуку.

Результат, приблизно 36 км на секунду, приблизно вдвічі швидший за швидкість звуку в алмазі, найтвердішому з відомих матеріалів у світі.

Хвилі, як звукові або світлові хвилі, є збуреннями, які переміщують енергію з одного місця в інше. Звукові хвилі можуть рухатися через різні середовища, такі як повітря або вода, і вони рухаються з різною швидкістю, залежно від того, через що вони проходять. Наприклад, вони рухаються крізь тверді речовини набагато швидше, ніж через рідини чи гази, тому ви можете почути наближення поїзда набагато швидше, якщо слухати звук, який рухається по залізничній колії. Замість того, щоб робити це по повітрю.

Теорія спеціальної теорії відносності Ейнштейна встановлює абсолютну межу швидкості, з якою може рухатися хвиля, яка є швидкістю світла і дорівнює приблизно 300 000 км в секунду. Однак до цього часу не було відомо, чи мають звукові хвилі також верхнє обмеження швидкості, коли рухаються через тверді речовини або рідини.

Дослідження, опубліковане в журналі Наукові досягнення, показує, що прогнозування верхньої межі швидкості звуку залежить від двох безрозмірних основних констант: константи тонкої структури та відношення маси протона до електрона.

Вже відомо, що ці два числа відіграють важливу роль у розумінні нашого Всесвіту. Його чітко налаштовані значення регулюють ядерні реакції, такі як розпад протонів та синтез ядер у зірках, а баланс між цими двома числами забезпечує вузьку "придатну для життя зону", де можуть утворюватися зірки та планети, а молекулярні структури, що підтримують утворення, можуть виникнути. Однак нові висновки свідчать про те, що ці дві фундаментальні константи можуть також впливати на інші наукові галузі, такі як матеріалознавство та фізика конденсованої речовини, встановлюючи межі специфічних властивостей матеріалів, таких як швидкість звуку.

Вчені перевірили свої теоретичні передбачення на широкому діапазоні матеріалів і взяли до уваги конкретний прогноз з їх теорії, що швидкість звуку повинна зменшуватися з масою атома. Це передбачення передбачає, що звук є найшвидшим у твердому атомному водню. Однак водень є атомною твердою речовиною при дуже високому тиску лише понад 1 мільйон атмосфер, тиску, порівнянному з тиском ядра газових гігантів, таких як Юпітер. За таких тисків водень перетворюється на захоплюючу металеву тверду речовину, яка проводить електрику подібно міді і, як передбачається, буде надпровідником при кімнатній температурі. Тому дослідники провели надсучасні квантово-механічні розрахунки для перевірки цього прогнозу і виявили, що швидкість звуку у твердому атомному водню близька до теоретичної основної межі.

Професор Кріс Пікард, професор матеріалознавства з Кембриджського університету, сказав: «Звукові хвилі в твердих тілах вже дуже важливі в багатьох наукових галузях. Наприклад, сейсмологи використовують звукові хвилі, ініційовані землетрусами глибоко в надрах Землі, щоб зрозуміти природу сейсмічних подій та властивості складу Землі. Вони також цікавлять вчених-матеріалів, оскільки звукові хвилі пов'язані з важливими пружними властивостями, включаючи здатність протистояти напрузі ".