科學家計算預測出音速上限,最快每秒可跑 36 公里

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 14 日 13:16 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


當我們提及音速,通常是指聲音在空氣傳播的速度約每秒 343 公尺,不過聲音在其他介質可以傳得更快。最近英國劍橋大學、倫敦瑪麗王后大學與俄羅斯科學院高壓物理研究所團隊計算確定,音速最快可達每秒 36 公里,比在空氣傳播的速度快 100 倍,也比之前測得最高秒速 12 公里快 3 倍。

是哪種介質讓聲音能以如此高速傳播?研究人員根據「精細結構常數」與「質子電子質量比」得出結論:於高壓環境被壓縮成容易導電的固態氫。但哪裡有這種元素?氣態巨行星木星核心深處。

音波可透過不同介質(如空氣或水)傳播且速度不同,比如在固體傳播速度比液體或氣體還快,這就是為什麼你把耳朵貼在鐵軌上,可更快聽到遠方火車行駛的聲響。

而愛因斯坦的狹義相對論為波速設下極限,也就是光速,真空中最快每秒可跑 299,792,458 公尺,但到目前為止,科學家不確定聲音在固體或液體傳播是否也有速度上限,直到最近發表在《科學進展》雜誌的研究表明,音速上限取決於 2 個無因次的基本常數:精細結構常數(Fine structure constant)、質子電子質量比(proton-to-electron mass ratio)。

這 2 個常數對天文學家來說一點都不陌生,描述宇宙少不了它們,如核反應、質子衰變、恆星核融合等都與這 2 個常數值有關;此外,這 2 個數的平衡也代表「適居帶」,在該區域,行星可形成維持生命的分子結構。新研究進一步表明,這 2 個基本常數還可以設下特定材料屬性(如音速)的限制,影響其他科學領域如:材料科學、凝態物理學等。

研究人員首先提出理論預測,認為音速應隨原子質量減少降低,因此聲音在固體原子氫內傳播最快,然而氫僅在 100 萬大氣壓力以上才會以固態原子呈現,與木星等氣態巨行星核心的壓力相當,因此團隊進行最先進的量子力學運算,發現固態原子氫的音速接近理論極限。

科學家相信這項研究結果可幫助了解與高溫超導相關的各種特性(如導熱率)極限,進一步應用在夸克膠子電漿,甚至黑洞物理學。

(首圖來源:pixabay