科學家發現聲速上限為每秒36公里

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【大紀元2020年10月23日訊】(大紀元記者張妮編譯報導)近期發表在《科學進展》(Science Advances)期刊上的研究稱,聲波在介質中傳播速度的上限是每秒36公里。

人們可能從生活中已經體驗到,聲波在固體內傳播的速度比在液體或氣體內快得多。這就是為什麼人們匍匐在鐵軌上,可以先聽到遠方火車到來的聲音,而從空氣中傳來的聲音晚到很多。

這份研究發現,介質材料的原子質量越大,聲波傳播的速度越小。所以這個研究組推測聲波在固態氫內部傳播的速度將是最快的,並計算得到這個結果。這個速度是聲波在地球上最堅硬的固體——鑽石內傳播速度的兩倍。

各種波,比如聲波、光波,都是能量從一個地點傳向另一個地點過程中在空間中的振動形式。愛因斯坦的相對論認為,任何能量波傳播的速度極限值和光線的速度一樣,大約是每秒30萬公里。

這份由倫敦大學瑪麗王后學院(Queen Mary University of London)、劍橋大學和波蘭高壓物理研究所(Institute for High Pressure Physics)合作完成的研究認為,聲波速度的上限取決於兩個基礎常數:精細結構常數,以及質子與電子的質量比。

這兩個常數在核反應,比如質子衰變、恆星內部核聚變過程、恆星系統內宜居帶的探索等諸多自然領域都起著重要的作用。這項研究發現這兩個常數在材料科學、凝聚態物理學等領域也扮演著重要的角色,比如,它們限制著聲波的上限。

研究人員用大量不同的材料進行實驗,證實了他們認為聲波的速度隨著傳播介質內原子質量的增加而下降的猜測。由此推測,聲波在固態氫內傳播速度應該是最快的。

要想讓氫元素呈現固態,需要在百萬倍的大氣壓下,氣態巨星木星內部可能具有那樣的環境。在那樣的狀態下,氫元素變成奇異的金屬導體,就像銅一樣。科學家認為那樣狀態的氫元素在室溫下就具有超導的特性。

於是,研究人員使用量子力學進行計算,得到了聲波在固態氫內接近理論極限值的傳播速度。

劍橋大學材料科學教授皮卡德(Chris Pickard)說:「固體內的聲波在很多領域都有著重要的意義。比如,來自地球深處地震的聲波可用於研究地震以及地球內部的結構。材料科學家對它們也很感興趣,因為聲波與張力特性、抗壓性都相關。」◇#

責任編輯:葉紫微

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