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36千米/秒!声波最大速度上限算出

2020-10-13      來源:科技日報   VIEW:

愛因斯坦的狹義相對論為光波的傳輸速度設定了上限:300000千米/秒,但科學家一直不清楚其「孿生兄弟」——聲波在固體或液體中傳播時是否也有速度上限。英國科學家在最新一期《科學進展》雜誌中指出,他們發現了聲波迄今最大速度上限:約36千米/秒,瞭解這一值有望讓材料科學等多領域受益。

來自倫敦瑪麗皇后大學、劍橋大學和高壓物理研究所的科學家在固態氫原子內發現了這一聲速上限,這一速度是聲波在鑽石(迄今已知地球上最堅固材料)內傳輸速度的兩倍左右。

聲波可通過不同介質(如空氣或水)傳播,而且,不同介質內聲波的傳播速度也不同,其在固體內比在液體或氣體內「跑得更快」。研究還發現,聲速的上限取決於兩個基本常數:精細結構常數和質子電子質量比。

研究人員解釋稱,這兩個常數對於我們理解宇宙也至關重要。比如,這兩個常數掌控著核反應,如質子衰變和恆星內的核合成。而且,這兩個數值間的平衡提供了一個狹窄的「宜居區域」——在該區域內,恆星和行星得以形成,生命的分子結構也悄然出現。

此外,其他新發現還表明,這兩個基本常數還可以限制特定材料屬性(如聲速)的數值,影響材料學和凝聚態物理等科學領域。

研究人員首先提出了一種預測——聲速應隨原子質量的增大而降低。這表明,聲音在固體原子氫內傳輸速度最快。由於氫僅在壓力達100萬個大氣壓以上才變為固體,而在這樣的高壓下,氫成為一種金屬固體導電材料,且有可能是一種室溫超導體。隨後,研究人員在多種材料上進行檢測,並進行了最先進的量子力學計算,結果表明,聲波在固體氫原子內的傳輸速度接近理論極限值。

劍橋大學材料科學教授克里斯·皮卡德表示:「瞭解聲波在固體內的特性,可以讓多個學科領域受益,如地震學家可以利用地球內部深處地震引發的聲波來瞭解地震的本質以及地球的組成,而且聲波與重要的彈性特性(包括抗壓能力)有關,這也令材料科學家感興趣。」(記者劉霞)


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