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。

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。可見光是電磁輻射的一種形式，之所以這麼稱呼是因為光波由振蕩的電場和磁場組成。這些場形成了可以在真空中傳播的自持久電磁波，其最高速度約為每秒30萬公裡。進入諸如水或大氣之類的介質，光速會變慢。

聲音是由介質中的振動引起的機械波。當波通過介質時，介質的分子會相互碰撞，並傳遞能量。

因此，介質越硬——壓縮越困難——聲音傳播得越快。例如，比起空氣，聲音在水中傳播得更快，這就是為什麼鯨魚可以在海洋裡進行超遠距離的交流。

在堅硬的固體(如鑽石)中，聲音傳播的速度甚至更快。當地震聲波穿透地幔時，我們就能從中獲取地球內部的信息。我們甚至可以憑此來了解恆星的內部。

英國劍橋大學的材料科學家Chris Pickard說：「固體中的聲波在許多領域中已經變得非常重要。地震學家利用地震波來分析地震事件的性質和地球內部構造的特性。材料科學家也對固體中的聲波很感興趣，因為與重要的彈性特徵有關，包括抗壓力。」

所以，我們期望弄清聲音的速度極限。倫敦瑪麗皇后大學，英國劍橋大學和俄羅斯高壓物理研究所的科學家團隊發現，聲速取決於兩個基本常數。

一個是精細結構常數，它表徵了基本帶電粒子之間電磁相互作用的強度。另一個是質子與電子的質量比，即質子質量除以電子質量。

「精細結構常數和質子電子質量比的微調值，以及它們之間的平衡，控制著核反應，例如質子衰變和恆星中的核聚變，從而導致基本化學元素的生成；這種平衡在空間中提供了一個狹窄的「可居住區域」，恆星和行星，乃至生命的分子結構均來源於此。我們表明，精細結構常數與質子電子質量比的簡單組合會導致另一個無量綱的量，它可以表徵凝聚相的關鍵特性——波在固體和液體中的傳播速度，或者說聲音的速度。」

為了證實他們的方程式，研究小組通過實驗測量了聲音在多種元素固體和液體中的傳播速度，並返回了與預測相符的結果。

理論的另一個具體預言是，聲速應隨介質元素的原子質量而降低。據此可知，聲音的極限速度應該是波通過固態氫晶體時的速度。問題是，固態氫只能在極高的壓力下存在——100吉帕斯卡，吉帕斯卡是GPa,1000000Pa，就是100萬帕。

所以直接通過實驗驗證，將非常困難，因此該團隊基於固體氫的性質進行計算。他們發現，結果再次符合理論預期。

如果方程式的結果保持一致，則它可能被證明是有價值的工具，不僅可用於理解具體的材料，而且放之全宇宙也是如此。

倫敦女王瑪麗大學的物理學家Kostya Trachenko說：「我們相信這項研究可幫助我們發現和理解與高溫超導有關的不同特性(例如粘度和導熱率)的極限；同時還具有更進一步應用的可能，如在夸克膠子等離子體甚至黑洞物理學領域。」