Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c


Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Физики вывели

формулу, которая описывает предел скорости распространения звука. Максимальная скорость звука составила примерно 36 километров в секунду, а для ее вывода потребовались фундаментальные физические

постоянные — отношение массы протона к массе электрона и постоянная тонкой структуры. Работа опубликована в ScienceAdvances.

В отличие от света, который может распространяться в вакууме и имеет там наибольшую скорость, со звуком дела обстоят иначе. Сама по себе звуковая волна — это распространяющееся возмущение

среды, поэтому без среды нет и звука. Известно, что звук быстрее

движется в жидкостях или твердых телах, чем в газах. Чем ближе молекулы или атомы вещества находятся

друг к другу и чем сильнее они взаимодействуют, тем

быстрее они будут распространять колебания. Поэтому скорость звука тесно

связана с параметрами среды, в которой звук распространяется и возникает вопрос о том, насколько быстро вообще может

двигаться звуковая волна.

Ученые из Лондонского университета королевы Марии, Кэмбриджского

университета и Института физики высоких давлений под

руководством Вадима Бражкина (Vadim Brazhkin) смогли вывести предел для скорости

звука, сравнили его с экспериментальными скоростями в разных средах и выяснили, где звук может

распространяться быстрее всего.

Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

Слева — зависимость скорости звука от атомной массы, сплошная линия — теоретическая зависимость, синие точки — эксперимент, красная точка — предел скорости. Справа — экспериментальные значения скоростей звука 124 твердых тел (круги) и 9 жидкостей (ромбики)

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Они использовали два разных подхода для того,

чтобы вывести формулу для скорости звука. В первом варианте авторы рассматривали упругие

свойства среды, в которой распространяется звук, а во втором случае смотрели на нее как на колебательную систему. Оба подхода

показали, что скорость звука зависит от масс электрона и произведения массы протона на атомную массу, а первый указал еще и на зависимость от постоянной тонкой структуры. А итоговая формула имеет вид:

Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Где α — постоянная тонкой структуры, me — масса электрона, m=Amp — произведение атомной массы на массу протона, c — скорость света в вакууме. Такой набор величин неслучаен: масса протона и атомная масса характеризуют атомы,

которые участвуют в распространении звуковой волны, а масса электрона и постоянная тонкой структуры отвечают за их электромагнитное взаимодействие. Если

атомная масса равна единице, то предельная скорость звука получается

равной примерно 36 километров в секунду.

Ученые получили

зависимость скорости звука от атомной массы и сравнили ее с экспериментальными результатами для 36 разных элементов. Несмотря на большой разброс в экспериментальных данных, линейный

коэффициент корреляции Пирсона оказался равным −0,71, что говорит о значительной корреляции между теорией и экспериментом. Кроме этого, авторы проверяли свой результат

не только для веществ, состоящими из одинаковых атомов, но и для соединений, и даже для жидкостей. Средняя скорость звука для всех

рассмотренных веществ совпала с теоретической с точностью 14 процентов.

Если сравнить

теоретический предел скорости звука с самой большой наблюдаемой

экспериментально величиной (скоростью звука в алмазе), то окажется, что они отличаются почти в два раза (36 километров в секунду в теории и примерно 18,35 в алмазе). Поэтому остается открытым вопрос о существовании среды, в которой скорость звука близка к предельному значению. Моделирование показало, что такая

среда — это металлический водород, который находится при очень высоком давлении.

В определенной конфигурации и при давлении выше 600 гигапаскалей скорость звука в таком веществе оказывается больше предельной.

Пока

возможность экспериментального измерения скорости звука в металлическом водороде, как и его существование остаются под вопросом, ученые исследуют

другие интересные среды. Например, скорость звука в гелиосферной мантии удалось

определить с помощью «Вояджеров», а Физики из синхротронного центра DESY не только измерили скорость звука в алмазе, но и сняли распространение ударной волны с помощью рентгеновского излучения.

Оксана Борзенкова

Источник: nplus1.ru