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科學家:固體氫中的聲音速度可以達到每秒36公里的上限



中學物理告訴我們,聲速不是一個確定的值,而是隨不同的媒體和條件而變化的。 在1個標準大氣壓和15°C下,空氣中的聲速約為340m / s。 在固體中,聲音的傳播速度遠大於在空氣和液體中的聲音。例如,鐵棒中的聲速在20°C時可以達到約5130m / s。 這就是為什麼火車從遠處駛來的原因。 我們將首先聽到鐵軌的振動,然後是火車的汽笛聲。

一般來說,聲音在固體中的傳播速度與介質的剛度和密度有關。 可以說,材料越“硬”,聲音的速度就越快。

那麼,聲音的速度能達到多快? 10月9日發表在《科學進展》上的一篇論文給出了36100m / s的數字。 這幾乎是鑽石中最堅硬的天然物質的音速的兩倍!

聲波本質上是介質中能量傳輸的一種形式。 愛因斯坦的狹義相對論為波的傳播設置了絕對速度極限,即真空中的光速,大約為每秒30萬公里。 但是,科學家們不知道聲波在固體中傳播時是否存在速度上限。

倫敦女王瑪麗大學,劍橋大學和其他研究機構的科學家指出,聲速的上限取決於兩個無量綱的基本常數:精細結構常數和質子電子的質量比。

所謂的無量綱數是一個簡單的數,沒有長度和時間等單位。 我們更熟悉的無量綱數包括pi比,自然常數e等。精細結構常數α就是這樣的無量綱數,它是指第一個玻爾軌道上的電子速度與電子速度之比。真空中點亮。 質子與電子的質量比更直觀,即質子與電子的質量比。

這兩個無量綱的數字可以很好地控制核合成,重元素的起源以及恆星內部質子的衰變。 這兩個數字共同決定了恆星和行星只能形成可以在狹窄範圍內支持生命活動的分子結構。 。 在本文中,作者提出了一個新的觀點:這兩個數字也影響了材料科學和凝聚態物理。 將這兩者結合起來就得到了一個新的無量綱數:凝聚相中的聲速與真空中的光速之比。

因此,他們提出了在凝結階段的聲速上限,計算結果約為36100m / s。

科學家:固體氫中的聲音速度可以達到每秒36公里的上限 1

那麼,我們可以在哪種凝結物質上找到這種極限音速? 科學家對一系列材料進行了實驗和計算,並進一步提出了更具體的預測:隨著材料原子質量的增加,聲音的速度將降低。 這意味著聲音的最終速度將出現在質量最小的原子中,即氫原子。

但是,我們都熟悉的氫原子都以氫的形式出現。 為了將它們“壓實”成固體,需要至少250 Gpa,這是大氣壓的100萬倍以上。 在如此高的壓力下,氫像銅一樣轉變成固體金屬導體。 科學家們還預測,它將成為室溫下的超導體。

經過量子力學理論的計算和模擬後,研究人員發現固體氫中的聲速確實接近於先前提出的上限。