Звуковой потолок. Ученые определили максимально возможную скорость звука

  • Юлия Чайка

Исследователи выяснили, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при движении через твердые тела или жидкости.

Совместное исследование Лондонского университета, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке рассчитало максимально возможную скорость звука. Их результат - около 36 км в секунду, примерно в два раза превышает скорость звука в алмазе, самом твердом материале в мире, пишет Phys. org.

Исследователи объяснили, что звуковые и световые волны представляют собой колебания, которые перемещают энергию из одного места в другое. Звуковые волны могут проходить через разные среды, такие как воздух или вода, и двигаться с разной скоростью в зависимости от того, через что они проходят.

К примеру, они движутся сквозь твердые тела намного быстрее, чем через жидкости или газы, поэтому вы сможете услышать приближающийся поезд намного быстрее, если будете слушать звук, распространяющийся по рельсам, а не по воздуху. 

Специальная теория относительности Эйнштейна устанавливает абсолютный предел скорости, при которым волна может двигаться со скоростью света, и равна примерно 300 тыс. км в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при движении через твердые тела или жидкости.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что предсказание верхнего предела скорости звука зависит от двух безразмерных фундаментальных констант: константы тонкой структуры и соотношения массы протона и электрона. 

Эти два числа, как уже известно, играют важную роль в понимании нашей Вселенной. От их значения зависит ход таких реакций, как распад протона и ядерный синтез в звездах, а баланс между этими двумя величинами создает узкую "обитаемую зону", где могут образовываться планеты, звезды и возникать поддерживающие жизнь молекулярные структуры. 

Однако новые результаты показывают, что эти две фундаментальные константы также могут влиять на другие области науки, такие как материаловедение и физика конденсированного состояния, путем установления ограничений на определенные свойства материала, такие как скорость звука. 

Ученые проверили свое теоретическое предсказание на широком спектре материалов и обратились к одному конкретному предсказанию своей теории - что скорость звука должна уменьшаться с массой атома. Это предсказание подразумевает, что звук самый быстрый в твердом атомарном водороде. 

Однако водород является твердым атомом при очень высоком давлении, только выше 1 миллиона атмосфер, которое сравнимо с давлением в ядре газовых гигантов, таких как Юпитер. 

При таких давлениях водород становится удивительным металлическим твердым телом, проводящим электричество, точно так же, как медь, и считается сверхпроводником при комнатной температуре. 

Поэтому исследователи выполнили современные квантово-механические расчеты, чтобы проверить это предсказание, и обнаружили, что скорость звука в твердом атомарном водороде близка к теоретическому фундаментальному пределу.  

"Звуковые волны в твердых телах имеют важное значение во многих областях науки. Например, сейсмологи используют звуковые волны, вызванные землетрясениями, чтобы понять природу и внутреннее строение Земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам", - отметил Крис Пикард, профессор материаловедения из Кембриджского университета.