每秒36千米｜科學家給出聲速極限

2020-10-12 中國科學報

作者 | 文樂樂

聲波通過原子間的相互作用而傳播，這限制了其速度。圖片來源：Alex Drai/Alamy

自愛因斯坦1905年提出狹義相對論以來，任何一種波——無論電磁波還是引力波，在真空中傳播的宇宙速度極限已為人所知。

但是，聲音在固體或液體中移動的最大速度近日才首次被計算出來——約為每秒36千米，僅為真空中光速的1/8000。10月9日，相關研究發表於《科學進展》。

為進行這一計算，英國倫敦瑪麗女王大學的Kostya Trachenko和同事從兩個著名的物理常數入手：質子—電子質量比以及精細結構常數。

Trachenko表示，這些數值哪怕有一點點改變，宇宙就完全不是現在這樣。

「如果這些常數改變了百分之幾，那麼質子可能會不穩定，甚至可能沒有恆星合成重元素的過程，進而沒有碳、沒有生命。」他說。

聲音是一種通過相鄰粒子相互作用而傳播的波，因而其速度取決於材料的密度以及材料內部原子的結合方式，聲音的速度受到原子移動速度的限制。

Trachenko和同事利用這一事實以及質子—電子質量比和精細結構常數，計算出了理論上聲音在任何液體或固體中傳播的最大速度：大約每秒36千米。

「通常認為金剛石的聲速最高，因為它是最堅硬的材料，但我們不知道它是否有一個理論上的基本極限。」 Trachenko說。而理論極限大約是鑽石聲速的兩倍。

聲速還取決於材料中原子的質量，因此研究人員預測，固體金屬氫（理論上存在於巨行星中心的一種材料，但實驗室證據一直存在爭議）應該具有最高的聲速。

他們計算出，該速度應該接近理論極限。他們還研究了133種材料的實驗數據，發現沒有一種材料突破極限。

然而，愛丁堡大學的Graeme Ackland表示，目前還不清楚計算結果是否為速度極限。

「我沒有看到一個很好的基本原理來解釋為什麼它是一個界限。我並不完全信服。」他說，還需要做更多的工作以確定聲音如何在重元素中傳播。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8662

《中國科學報》 (2020-10-12 第2版 國際 原標題《聲音每秒最快傳多遠》)

編輯 | 趙路

排版 | 志海

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