Międzynarodowa grupa naukowców ustaliła górną granicę prędkości dźwięku, która wynosi około 36 kilometrów na sekundę. Do tej pory największa prędkość dźwięku została zmierzona w diamencie i wynosiła tylko około połowy określonego maksimum.
Fale dźwiękowe mogą przechodzić przez różne media, takie jak powietrze lub woda. Poruszają się przy tym z różnymi prędkościami w zależności od tego, przez co podróżują. Na przykład przez ciała stałe podróżują znacznie szybciej niż przez ciecze lub gazy, dlatego nadjeżdżający pociąg można wcześniej usłyszeć, jeśli słucha się dźwięku rozchodzącego się po torze, a nie w powietrzu.
Szczególna teorii względności Alberta Einsteina nakłada bezwzględne ograniczenie prędkości, przy której może podróżować fala, czyli prędkość światła, która wynosi około 300 000 km na sekundę. Jednak do tej pory nie było wiadomo, czy fale dźwiękowe mają również górną granicę prędkości podczas podróży przez ciała stałe lub ciecz. Aż do teraz. Naukowcy z Queen Mary University of London, University of Cambridge i Institute for High Pressure Physics w Troicku w Rosji ustalili, że prędkość dźwięku zależy od dwóch bezwymiarowych stałych fundamentalnych: stałej struktury subtelnej oraz stosunku masy protonu do elektronu.
Wyniki ich prac ukazały się na łamach pisma „Science Advances”.
Kostya Trachenko z Queen Mary University w Londynie i jego koledzy rozpoczęli badania od dwóch dobrze znanych stałych fizycznych: stosunku masy protonu do masy elektronu oraz stałej struktury subtelnej, która charakteryzuje siłę oddziaływań między naładowanymi cząstkami.
Według Trachenko, mamy całkiem dobre pojęcie o tych wartościach. Gdyby zostały choć trochę zmienione, Wszechświat nie wyglądałby tak jak wygląda. - Jeśli zmienimy te stałe o kilka procent, proton może nie być już stabilny, a nawet mogłyby przestać zachodzić procesy w gwiazdach, powodujące syntezę ciężkich pierwiastków, więc nie byłoby węgla ani życia – mówi Trachenko.
Te dwie stałe odgrywają ważną rolę w zrozumieniu naszego Wszechświata. Ich precyzyjnie dostrojone wartości rządzą reakcjami jądrowymi, takimi jak rozpad protonów i synteza jądrowa w gwiazdach, a równowaga między nimi zapewnia istnienie ekosfery, czyli miejsca wokół gwiazd, gdzie na planetach panują odpowiednie warunki mogące podtrzymać rozwój życia.
Jednak nowe odkrycia sugerują, że te dwie fundamentalne stałe mogą również wpływać na inne dziedziny nauki, takie jak materiałoznawstwo i fizyka materii skondensowanej, poprzez wyznaczanie określonych granic właściwości materiału, takich jak prędkość dźwięku.
Wspomniane stałe rządzą kosmosem i to na nich opiera się ograniczenie prędkości dźwięku. Prędkość światła wyznacza ostateczny limit prędkości we Wszechświecie. Stała struktury subtelnej określa siłę, z jaką naładowane elektrycznie cząstki oddziałują na siebie. W połączeniu we właściwym układzie z inną stałą - stosunkiem mas protonu i elektronu - liczby te dają ograniczenie prędkości dźwięku.
Dźwięk jest falą, która rozchodzi się, powodując wzajemne oddziaływanie sąsiednich cząstek, więc jej prędkość zależy od gęstości materiału i tego, jak połączone są w nim atomy. Trachenko i jego koledzy wykorzystali ten fakt i wraz ze stosunkiem masy protonu do elektronu i stałą struktury subtelnej obliczyli maksymalną prędkość, z jaką dźwięk mógłby teoretycznie przemieszczać się w dowolnej cieczy lub substancji stałej: około 36 kilometrów na sekundę.
- Powszechnie uważano, że to w diamencie dźwięk uzyskuje najwyższą prędkość, ponieważ jest to najtwardszy materiał, ale nie wiedzieliśmy, czy istnieją teoretyczne fundamentalne ograniczenia prędkości, z jaką może podróżować dźwięk - mówi Trachenko.
Żadna z prędkości dźwięku, które poprzednio mierzono w różnych cieczach i ciałach stałych, nie przekraczała proponowanej wartości granicznej. Najszybsza prędkość dźwięku została zmierzona w diamencie i wynosiła tylko około połowy teoretycznego maksimum.
Naukowcy przetestowali swoje przewidywania teoretyczne na szerokiej gamie materiałów i odnieśli się do jednego konkretnego przewidywania ich teorii, że prędkość dźwięku powinna maleć wraz z masą atomu. To przewidywanie sugeruje, że dźwięk najszybszy będzie w metalicznym wodorze, czyli wodorze pod skrajnie wysokim ciśnieniem - materiale, który teoretycznie istnieje wewnątrz gigantycznych planet - gazowych olbrzymów, takich jak chociażby Jowisz. Uczeni obliczyli, że prędkość dźwięku w metalicznym wodorze powinna być blisko teoretycznej graniczy.
- Fale dźwiękowe w ciałach stałych są niezwykle ważne w wielu dziedzinach nauki. Na przykład sejsmolodzy wykorzystują fale dźwiękowe zainicjowane przez trzęsienia ziemi w głębi planety, aby zrozumieć naturę zdarzenia i składniki Ziemi. Są one również interesujące dla naukowców zajmujących się materiałami, ponieważ fale dźwiękowe są związane z ważnymi właściwościami sprężystymi, w tym z odpornością na naprężenia – komentuje Chris Pickard, profesor nauk o materiałach na Uniwersytecie w Cambridge.
Źródło: Queen Mary, University of London
