Спільні дослідження Лондонського університету Королеви Марії, Кембриджського університету і Інституту фізики високих тисків в Троїцьку відкрили максимально можливу швидкість звуку.

Результат – близько 36 км в секунду – приблизно в два рази швидше, ніж швидкість звуку в алмазі, самому твердому відомому матеріалі в світі.

Хвилі, такі як звукові або світлові хвилі, – це збудження, які переміщують енергію з одного місця в інше. Звукові хвилі можуть проходити через різні середовища, такі як повітря або вода, і рухатися з різною швидкістю в залежності від того, через що вони проходять. Наприклад, вони рухаються через тверді тіла набагато швидше, ніж через рідини або гази, тому ви можете почути поїзд, що наближається набагато швидше, якщо ви будете слухати звук, що поширюється по рейкових шляхах, а не через повітря.

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна встановлює абсолютну межу швидкості, з яким може рухатися хвиля, що дорівнює швидкості світла і дорівнює приблизно 300 000 км в секунду. Однак до сих пір не було відомо, чи мають звукові хвилі верхню межа швидкості при русі через тверді тіла або рідини.

Дослідження, опубліковане в журналі Science Advances, показує, що пророкування верхньої межі швидкості звуку залежить від двох безрозмірних фундаментальних констант: постійної тонкої структури і відносини мас протона до електрону.

Вже відомо, що ці два числа грають важливу роль в розумінні нашого Всесвіту. Їх точно налаштовані значення керують ядерними реакціями, такими як розпад протона і ядерний синтез в зірках, а баланс між двома числами забезпечує вузьку «населену зону», де можуть утворюватися зірки і планети і можуть виникати підтримують життя молекулярні структури. Однак нові результати показують, що ці дві фундаментальні константи також можуть впливати на інші області науки, такі як матеріалознавство та фізика конденсованого стану, шляхом встановлення обмежень на певні властивості матеріалу, такі як швидкість звуку.

Вчені перевірили своє теоретичне передбачення на широкому спектрі матеріалів і звернулися до одного конкретного прогнозу своєї теорії, згідно з яким швидкість звуку повинна зменшуватися з масою атома. Звук найшвидший в твердому атомарному водні. Однак водень являє собою тверде тіло з дуже високим тиском, що перевищує 1 мільйон атмосфер, тиск можна порівняти з тиском в ядрі газових гігантів, таких як Юпітер. При таких тисках водень стає дивним металевим твердим тілом, які проводять електрику, точно так же, як мідь, і вважається сверхпроводником при кімнатній температурі. Тому дослідники виконали новітні квантово-механічні розрахунки, щоб перевірити це передбачення, і виявили, що швидкість звуку в твердому атомарному водні близька до теоретичного фундаментального межі.

Професор Кріс Пікард, професор матеріалознавства в Кембриджському університеті, сказав: «Звукові хвилі в твердих тілах вже дуже важливі в багатьох областях науки. Наприклад, сейсмологи використовують звукові хвилі, викликані землетрусами глибоко всередині Землі, щоб зрозуміти природу сейсмічних впливів. події і властивості складу Землі. Вони також представляють інтерес для матеріалознавців, тому що звукові хвилі пов’язані з важливими пружними властивостями, включаючи здатність протистояти навантаженням “.

Джерела 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