科學家:在固體氫中傳播音速 可達上限每秒36公里

中學物理告訴我們,音速並不是一個確定的數值,因不同的介質和條件而變化。空氣中的音速在1個標准大氣壓和15℃的條件下約為340m/s。而在固體中,聲音的傳播速度就要遠大於空氣中和液體中。例如,鐵棒中的音速在20℃條件下可達到約5130m/s。這就是為什麼一列火車從遠處駛來,我們會先聽到鐵軌的震動聲,然後再聽到火車的鳴笛聲。

通常來說,聲音在固體中的傳播速度又與介質的剛度和密度相關。可以說,材料越「硬」,音速往往會越快。

那麼,音速最快可以達到多少呢?10月9日發表在《科學-進展》(Science Advances)上的一篇論文給出的數字是36100m/s。這比最硬的天然物質——金剛石中的音速將近快上一倍!

聲波本質上是一種能量在介質中的傳輸形式。愛因斯坦的狹義相對論給波的傳播設定了絕對的速度極限,即真空光速,約為每秒30萬公里。然而,科學家們此前並不知道聲波在固體中傳播時是否也有一個速度上限。

來自英國倫敦瑪麗女王大學、劍橋大學等研究機構的科學家們在論文中指出,音速的上限取決於兩個無量綱基本常數:精細結構常數與質子電子質量比。

所謂無量綱數,是一個單純的數字,沒有諸如長度、時間等單位。我們比較熟悉的無量綱數包括圓周率π、自然常數e等。精細結構常數α就是這樣一個無量綱數,指的是電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空光速的比值。質子電子質量比更為直觀,即質子和電子的質量比值。

這兩個無量綱數精細地控制着恆星內部的核合成、重元素起源和質子衰變等過程,兩個數字共同決定了恆星和行星只能在一個狹窄的范圍內形成可以支持生命活動的分子結構。而在論文中,作者們提出了一個新的視角:這兩個數字同樣影響着材料科學和凝聚態物理。將兩者結合可以得出一個新的無量綱數:凝聚相中的音速與真空光速的比值。

從而,他們對凝聚相中的音速提出了上限,計算結果約為36100m/s。

科學家:在固體氫中傳播音速 可達上限每秒36公里

那麼,我們到底在什麼樣的凝聚態材料上才可以找到這種極限音速呢?科學家們在一系列材料上進行了實驗和計算,進一步提出了更為具體的預測:音速會隨着材料原子質量的增加而變慢。這意味着,極限音速會出現在質量最小的原子——氫原子中。

不過,我們熟悉的氫原子都是以氫氣的形態出現的,要把它們「壓」成固體,起碼需要250Gpa,超過100萬倍大氣壓。在如此的高壓下,氫變身為一種金屬固體導電體,就像銅一樣。科學家們還預言,它會是一種室溫超導體。

用量子力學理論進行計算模擬後,研究人員發現固體氫中的音速確實接近前面提出的上限。

來源:cnBeta