科学家发现声速上限为每秒36公里

近期发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上的研究称，声波在介质中传播速度的上限是每秒36公里。

人们可能从生活中已经体验到，声波在固体内传播的速度比在液体或气体内快得多。这就是为什么人们匍匐在铁轨上，可以先听到远方火车到来的声音，而从空气中传来的声音晚到很多。这份研究发现，介质材料的原子质量越大，声波传播的速度越小。所以这个研究组推测声波在固态氢内部传播的速度将是最快的，并计算得到这个结果。这个速度是声波在地球上最坚硬的固体——钻石内传播速度的两倍。各种波，比如声波、光波，都是能量从一个地点传向另一个地点过程中在空间中的振动形式。爱因斯坦的相对论认为，任何能量波传播的速度极限值和光线的速度一样，大约是每秒30万公里。这份由伦敦大学玛丽王后学院(Queen Mary University of London)、剑桥大学和波兰高压物理研究所(Institute for High Pressure Physics)合作完成的研究认为，声波速度的上限取决于两个基础常数：精细结构常数，以及质子与电子的质量比。这两个常数在核反应，比如质子衰变、恒星内部核聚变过程、恒星系统内宜居带的探索等诸多自然领域都起着重要的作用。这项研究发现这两个常数在材料科学、凝聚态物理学等领域也扮演着重要的角色，比如，它们限制着声波的上限。研究人员用大量不同的材料进行实验，证实了他们认为声波的速度随着传播介质内原子质量的增加而下降的猜测。由此推测，声波在固态氢内传播速度应该是最快的。要想让氢元素呈现固态，需要在百万倍的大气压下，气态巨星木星内部可能具有那样的环境。在那样的状态下，氢元素变成奇异的金属导体，就像铜一样。科学家认为那样状态的氢元素在室温下就具有超导的特性。于是，研究人员使用量子力学进行计算，得到了声波在固态氢内接近理论极限值的传播速度。剑桥大学材料科学教授皮卡德(Chris Pickard)说：“固体内的声波在很多领域都有着重要的意义。比如，来自地球深处地震的声波可用于研究地震以及地球内部的结构。材料科学家对它们也很感兴趣，因为声波与张力特性、抗压性都相关。”