科學家首次確認聲音速度極限，約為空氣中傳播速度的 105 倍

2020-10-13 學術頭條

波，如聲波或光波，是將能量從一個地方移動到另一個地方的幹擾現象。聲波可以通過不同的介質，如空氣或水，並以不同的速度傳播。也就是說，聲音的傳播速度，取決於它們通過的介質是什麼。


從中學物理課上我們就知道，聲音在空氣中的傳播速度大約是 340 米 / 秒，而聲音在固體中的傳播則更快，比如在地球上已知的最堅硬的物質金剛石（鑽石）中，聲音的傳播速度能夠達到 18 千米 / 秒。


但是，一直以來科學家們並不知道，聲波在固體或液體傳播時，是否像光速一樣也存在速度上限。


近日，倫敦瑪麗皇后大學、劍橋大學和俄羅斯特洛伊茨克高壓物理研究所的科學家們，發現了宇宙中聲音可能的最快傳播速度，即大約 36 千米 / 秒，相當於聲音在金剛石中速度的兩倍，空氣中速度的 105 倍，約真空中光速的 8000 分之一。



這一研究結果，發表在《科學進展》雜誌上。


波的速度極限


自從阿爾伯特・愛因斯坦 1905 年提出狹義相對論以來，任何一種波 —— 無論是電磁波（包括可見光）還是引力波 —— 在真空中傳播的絕對速度極限就已經為人所知，大約等於 30 萬千米 / 秒。


但聲波又與光波有所不同，它是一種通過使相鄰粒子相互作用而傳播的波。所以聲波的傳播速度，取決於通過材料的密度以及內部原子的結合方式。



也就是說，一個物質的原子撐死了只能移動這麼快，那麼聲音的速度，也就受到了這種物質原子移動速度的限制。


通常來說，聲音在固體中的傳播速度比液體快，而液體中的傳播速度又比氣體快。例如，聲音在鋼鐵中傳播的速度要比在水或空氣中快得多，這就是為什麼我們耳朵貼近鐵軌，能更快聽到火車靠近的聲音。


為了尋找聲波的理論最大傳播速度，倫敦瑪麗皇后大學的 Kostya Trachenko 和他的同事們從兩個眾所周知的物理常數開始：質子質量與電子質量的比值，以及表示帶電粒子間相互作用強度的精細結構常數（物理學中一個重要的無量綱數，表示電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空中光速的比值）。


這兩個數字在我們理解宇宙中起著重要的作用。它們巧妙且精確地控制著恆星中的質子衰變和核聚變等核反應。並且，這兩個數字之間的平衡，提供了一個狹窄的 「宜居地帶」，在這裡，恆星和行星可以形成，支持生命的分子結構可以出現。


Trachenko 表示，我們對這些宇宙常熟已經有非常深入的了解，因為如果它們發生哪怕一點點的變化，宇宙就會完全不像現在這樣。


「如果你把這些常數改變幾個百分點，那麼質子可能就不再穩定了，你甚至可能無法在恆星中進行合成重元素的過程，所以就不會有碳和生命了。」



而有趣的是，新的發現表明，這兩個基本常數也可以通過限制特定的材料屬性，如聲速。


最大速度是如何計算出來的?


研究人員根據他們的理論預測，聲波的傳播速度，應該隨著介質原子質量的增加而減小。


這一預測意味著，理論上存在於巨行星中心的固體金屬氫，應該有最高的聲速。然而，固態氫需要在 100 萬倍大氣壓以上的條件下才能存在，這樣的壓力條件，堪比木星這樣的氣態巨星核心，在地球上根本不可能存在。


在這樣的壓力下，氫變成了一種迷人的金屬固體，像銅一樣導電，並且被預測為室溫超導體。因此，研究人員通過最先進的量子力學計算來測試這一預測，並發現固體氫原子中的聲速接近理論的基本極限，即 36100 米 / 秒。



Trachenko 表示，「人們普遍認為，鑽石的聲速最高，因為它是最硬的材料，但我們之前並不知道聲音在理論上是否存在基本極限。」


研究人員還查看了 133 種材料的實驗數據，發現沒有一種材料突破 36 千米 / 秒的理論極限。


劍橋大學材料科學教授 Chris Pickard 說：「固體中的聲波在許多科學領域已經非常重要。例如，地震學家利用地球內部深處地震引發的聲波來了解地震事件的性質和地球成分的性質。材料科學家對聲波也很感興趣，因為聲波與重要的彈性特性有關，包括抗壓能力。」



研究人員也在論文中表示，「我們通過大量的實驗數據和氫原子的第一性原理計算（基於量子力學原理的計算），來支持這個結果。我們的結果擴展了目前對基本常數如何對重要物理性質施加新的限制的理解。」


然而，沒有參與該項研究的英國愛丁堡大學的格雷姆・阿克蘭 (Graeme Ackland) 表示，目前還不清楚計算結果是否就是速度上限。


「你可以用這些基本常數來得到一些以速度為單位的東西，但是我不知道為什麼它是一個界限。我並不完全信服。還需要做更多的工作來確定聲音是如何通過重元素傳播的。」


無論如何，現代科學尤其是物理學的進步，就是在不斷推翻、擴展和完善前人結論的認識，從而提高人類對自然、對宇宙奧秘的了解。我們也期待未來物理學能夠更大的新發現。


排版：鄒靜雯
編審：王新凱
參考資料：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
https://www.qmul.ac.uk/media/news/2020/se/scientists-find-upper-limit-for-the-speed-of-sound.html
https://www.newscientist.com/article/2256743-physicists-have-discovered-the-ultimate-speed-limit-of-sound/

相關焦點

  • 科學家首次確認聲音速度極限，約為空氣中傳播速度的105倍
    聲波可以通過不同的介質，如空氣或水，並以不同的速度傳播。也就是說，聲音的傳播速度，取決於它們通過的介質是什麼。從中學物理課上我們就知道，聲音在空氣中的傳播速度大約是 340 米 / 秒，而聲音在固體中的傳播則更快，比如在地球上已知的最堅硬的物質金剛石（鑽石）中，聲音的傳播速度能夠達到 18 千米 / 秒。
  • 聲音傳播的極限速度是多少？
    愛因斯坦的狹義相對論為我們指出了宇宙的速度極限——真空中的光速。但是，聲音的傳播需要介質，而在所有介質中絕對最高音速是多少呢？測量每種材料中的聲速是不現實的，但是科學家現在設法根據自然定律中的基本常數為聲音的傳播確定了速度上限。
  • 科學家發現了聲音的最快傳播速度為36 km / s
    自從1905年愛因斯坦提出狹義相對論以來，無論是電磁波還是重力波，真空中任何波的速度都是有限的。然而，科學家剛剛計算出了聲音在固體或液體中傳播時的最快速度：我們得出的數字為36 km / s，比真空中的光速慢了大約8000倍。
  • 音速的極限找到了:空氣中的106倍
    大家都知道，真空中的光速約為30萬千米/秒，這也是任何波傳播的速度上限，但是你知道音速(聲速)最快是多少嗎？你可能會脫口而出340米/秒，不過這只是音波在空氣中的傳播速度，到了液體或固體中會快得多，比如水中約為1450米/秒，鋁中可達5100米/秒，花崗石中能到6000米/秒。
  • 物理學家首次確認聲音速度極限,約為空氣中傳播速度的...
  • 科學家們發現了「最快的聲音的速度」
    科學家說，他們發現了最快的聲音速度。 研究人員發現，聲波在固體原子氫中以每秒36公裡的速度傳播。 這大約是他們穿越鑽石的速度的兩倍，鑽石是世界上已知最堅硬的材料。
  • 聲速居然像光速一樣,也有速度極限!36公裡每秒!!
    空氣中的音速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340m/s。而在固體中，聲音的傳播速度就要遠大於空氣中和液體中。例如，鐵棒中的音速在20℃條件下可達到約5130m/s。這就是為什麼一列火車從遠處駛來，我們會先聽到鐵軌的震動聲，然後再聽到火車的鳴笛聲。
  • 聲速居然像光速一樣，也有速度極限！36公裡每秒
    空氣中的音速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340m/s。而在固體中，聲音的傳播速度就要遠大於空氣中和液體中。例如，鐵棒中的音速在20℃條件下可達到約5130m/s。通常來說，聲音在固體中的傳播速度又與介質的剛度和密度相關
  • 你知道聲音在不同的介質中的傳播速度嗎
    你知道聲音在不同的介質中的傳播速度嗎聲音的傳播最關鍵的因素是要有介質，介質指的是所有固體液體和氣體，這是聲音能傳播的前提。
  • 聲音傳播速度的比較及相關應用
    聲音的傳播需要介質，但是聲音在不同介質裡傳播的速度是不一樣的，一般情況下在固體中傳播速度最快，在液體中次之，在空氣中最慢（V 氣＝340m /s ），即V 固＞V 液＞V 氣經典題型1聲音在不同介質中傳播速度的比較如上圖，在一根足夠長的鋼管內注滿水，在鋼管的一端輕鬆敲擊鋼管，則在另一端能聽到幾次聲音
  • 電流傳播速度的首次測量
    電流傳播過程跟空氣中聲波的傳播過程非常相似，聲波在空氣中傳播時會形成疏密相間的波元，而正弦波交流電在導線中傳播時，自由電子也會在導線中形成疏密相間的電子云，如圖(1)所示，顯然這是一個誇張放大了的數學模型。電流波也許是世界上速度最快的縱波了，可以看出，在任意時刻T，沿導線軸向的各個截面的電流強度並不相等。
  • 聲音有多快?西媒:最大速度每秒36公裡
    參考消息網10月9日報導西媒稱，一項研究結果顯示，只要條件合適，聲波的傳播速度最高可達每秒36公裡。 據西班牙《阿貝賽報》網站10月8日報導，我們一般說，音速約為每秒340米，而光速要快得多，達到每秒約30萬公裡。
  • 聲音有多快？西媒：最大速度每秒36公裡
    西媒稱，一項研究結果顯示，只要條件合適，聲波的傳播速度最高可達每秒36公裡。據西班牙《阿貝賽報》網站10月8日報導，我們一般說，音速約為每秒340米，而光速要快得多，達到每秒約30萬公裡。但是，這兩種速度並非總是如此。光和聲音都是由波組成的，這些波的傳播速度會根據介質的不同而發生變化。
  • 聲音有多快?研究表明:最大速度每秒36公裡
    參考消息網10月9日報導 西媒稱，一項研究結果顯示，只要條件合適，聲波的傳播速度最高可達每秒36公裡。據西班牙《阿貝賽報》網站10月8日報導，我們一般說，音速約為每秒340米，而光速要快得多，達到每秒約30萬公裡。但是，這兩種速度並非總是如此。光和聲音都是由波組成的，這些波的傳播速度會根據介質的不同而發生變化。
  • 聲音傳播速度是變化的
    聲速是變化的:前面我們講了光速是變的，同理，聲音的傳播速度也是變的。它們皆符合「力與速度成正比定律」。也就是說，聲音能量大即傳播速度大，聲音能量小即傳播速度小，聲音能量零即傳播速度零。聲音消失的過程，就是聲音能量減弱的過程，就是聲音傳播速度減小的過程。反過來說，假定聲速不變，那它怎麼消失？聲速不變，就意味著聲音不會消失。聲音既然會消失，那麼必然存在一個能量從強到弱，從弱到零，速度從快到慢，從慢到零的銜接連續的過程。也就是力與速度成正比。
  • 科學家發現聲速的極限，是金剛石聲速的兩倍，刷新了紀錄
    10月9日，一篇發表在《科學進展》雜誌上的研究顯示，宇宙中聲速的極限為每秒36公裡，遠遠低於光速每秒30萬公裡。如果那根秒針上力的傳播速度按極限速度計算，那麼根本就不會有超光速的情況發生，愛因斯坦的理論也不會被打破。那麼這個聲速的極限是怎麼來的呢？我們知道，聲音其實是一種振動。而我們的耳朵能聽到聲音，那是因為由原子或分子構成的介質傳播振動能量所引起的。
  • 速度將高達6000公裡/小時,速度是聲音的5倍
    起飛重量約為45噸，速度將高達6000公裡/小時，速度是聲音的5倍。而要達到這一速度，就必須要使用混合式渦輪衝壓發動機。除了基本功能外，這架飛機還可以充當偵察機的角色，還可以在高達35公裡的高度飛行近50個小時。作戰行動半徑達三千公裡。當然，飛機的機身是由複合材料製成的，主要原因是以減輕重量並提高隱身性能。
  • 這就是宇宙極限速度為299792458米/秒的原因
    本文參加百家號科學#了不起的基礎科學#系列徵文我們都知道宇宙的極限速度為299792458米/秒，這個速度是宇宙中任何形式的能量所能達到的絕對最高速度。引力波以這種速度運動，光在真空中以這種速度運動，理論上膠子也以這種速度運動!
  • 聲音的傳播需要介質，而在所有介質中絕對最高音速是多少呢？
    但是，聲音的傳播需要介質，而在所有介質中絕對最高音速是多少呢？測量每種材料中的聲速是不現實的，但是科學家現在設法根據自然定律中的基本常數為聲音的傳播確定了速度上限。根據計算，聲音在所有介質中的最高速度不能超過每秒36公裡，大約是鑽石中傳播速度的兩倍。聲音和光都以波的形式傳播，但行為略有不同。
  • 光速仍是速度極限
    自從愛因斯坦提出相對論以來，人們對確定物體的速度極限是否等於真空中的光速一直很感興趣。所以關於光脈衝的群速度（一組頻率幾乎相同的波的群體速度）可超過真空中光速的報導引起廣泛討論就不足為奇了。現在，Stenner等人首次證明，對在群速度超過真空中光速的一種介質中傳播的脈衝來說，信息的傳播速度慢於光速。