Физики предложили крайний предел скорости распространения звуковых волн в условиях, обычно встречающихся на Земле, - 36 км в секунду. Это число основано на фундаментальных константах - важных числах в физике, которые определяют свойства и взаимодействия субатомных частиц, - пишет sciencenews.org.
У звука есть ограничение скорости. В нормальных условиях его волны могут двигаться не быстрее, чем примерно 36 километров в секунду, - предлагают физики 9 октября в Science Advances.
Звук распространяется с разной скоростью в разных материалах - например, в воде он движется быстрее, чем в воздухе. Но в естественных условиях на Земле ни один материал не может принимать звуковые волны, превышающие этот предел, который примерно в 100 раз превышает обычную скорость звука, распространяющегося в воздухе.
Рассуждения команды основаны на хорошо известных уравнениях физики и математических связях. «Учитывая простоту аргумента, это говорит о том, что [исследователи] указывают на что-то очень глубокое, - говорит физик, занимающийся физикой конденсированного состояния Камран Бениа из Высшей школы физики и химии в Париже.
Уравнение ограничения скорости опирается на фундаментальные константы - особые числа, управляющие космосом. Одно такое число - скорость света - устанавливает предел скорости Вселенной: ничто не может двигаться быстрее. Другое, известное как постоянная тонкой структуры, определяет силу, с которой электрически заряженные частицы толкают и притягивают друг друга. В сочетании с другой константой - отношением масс протона и электрона - эти числа определяют предел скорости звука.
Звуковые волны, состоящие из колебаний атомов или молекул, проходят через материал, когда одна частица сталкивается с другой. Скорость волны зависит от различных факторов, в том числе от типов химических связей, удерживающих материал вместе, и от того, насколько массивны его атомы.
Физик конденсированных сред Константин Траченко из Лондонского университета королевы Марии и его коллеги обнаружили, что ни одна из скоростей звука, измеренных ранее в различных жидкостях и твердых телах, не превышает предложенный предел. Самая быстрая скорость, измеренная алмазом, составила лишь половину теоретического максимума.
Предел применяется только к твердым телам и жидкостям при давлениях, типичных для Земли. При давлении, в миллионы раз превышающем давление в атмосфере Земли, звуковые волны движутся быстрее и могут превзойти предел.
Один материал, который, как ожидается, может похвастаться высокой скоростью звука, существует только при таких высоких давлениях: водород, сжатый достаточно сильно, чтобы превратиться в твердый металл. Этот металл никогда не был создан в реальности, поэтому исследователи рассчитали ожидаемую скорость вместо того, чтобы использовать измерения. Расчеты показывают, что, если давление выше атмосферного давления на Земле примерно в 6 миллионов раз, предел скорости звука будет нарушен.
Роль фундаментальных констант в максимальной скорости звука зависит от того, как волны движутся сквозь материалы. Звук распространяется благодаря электромагнитным взаимодействиям электронов соседних атомов, и именно здесь в игру вступает постоянная тонкой структуры. И соотношение масс протона и электрона важно, потому что, хотя электроны взаимодействуют, ядра атомов в результате движутся.
Константа тонкой структуры и отношение масс протона к электрону являются безразмерными константами, что означает, что к ним не прикреплены единицы (поэтому их значение не зависит от какой-либо конкретной системы единиц). Такие безразмерные константы очаровывают физиков, потому что их значения имеют решающее значение для существования Вселенной, какой мы ее знаем. Например, если бы постоянная тонкой структуры была значительно изменена, звезды, планеты и жизнь не могли бы образоваться. Но никто не может объяснить, почему у этих важнейших чисел есть те значения, которые они имеют.
«Когда у меня бессонные ночи, я иногда думаю об этом», - говорит
Траченко.
[Фото: sciencenews.org]
