科學家發現音速的極限

2020-10-12 星空天文

每秒36千米。

木星內部存在固態原子氫。NASA / ESA

英國倫敦大學瑪麗女王學院、劍橋大學和俄羅斯特羅伊茨克高壓物理研究所通過合作研究發現，每秒36千米可能是音速的極限。這一速度是聲音在鑽石中傳播速度的2倍。

聲音作為一種波，在不同介質中的傳播速度是不一樣的。它在固體中的傳播速度要比在液體或氣體中快。

速度是有極限的。根據愛因斯坦的狹義相對論，宇宙中一切物體的運動速度都無法超過光在真空中的傳播速度，亦即大約每秒30萬千米。但是聲音在固體或液體中的傳播速度是否有極限仍是個未知數。

從事研究的科學家認為，音速受制於兩個基本常數：精細結構常數和質子-電子質量比。

這兩個已知的基本常數在我們宇宙中扮演著重要角色。它們的值對核反應，如質子衰減和恆星內部的核聚變方式起著決定性作用。兩個數值間的平衡，還為恆星和行星能否形成，以及生命分子結構是否能夠出現提供了「宜居」空間。

這兩個基本常數還能通過影響特定物質屬性的極限，比如音速的極限，對其他科學領域，如材料科學和凝聚態物理學產生影響。

參與研究的科學家在多種材料身上檢驗了他們的理論預言，即音速會隨原子質量的增加而下降。這一預言暗示音速在固態原子氫中傳播速度最快。

但是氫只能在100萬個大氣壓以上的高壓下以原子固態存在。在自然界中，這樣的壓力只存在於類似氣態巨行星，如木星的內核中。在那裡，氫會呈現出神奇的金屬特性，並成為常溫超導體。研究人員只能在計算機內對這一預言進行檢驗，結果發現固態原子氫中的音速最接近理論極限，即每秒36千米。

參考
Speed of sound from fundamental physical constants
https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.abc8662

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