宇宙解码 - 物理学家:刚刚确认了声音的极限速度

上一篇(左方向键) 下一篇(右方向键) 回目录(回车键) 粗体(B键)  正常(N键) 随机浏览(S键)   浏览次数:15    发布时间:2020/10/11 23:16:54   出处:宇宙解码   

  声音有速度限制。在今天的《科学进展》中的最新研究论文中,伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学、以及俄罗斯科学院高压物理研究所的物理学家们确认,声音的波传播极限速度不会超过每秒36公里。

物理学家:刚刚确认了声音的极限速度 - 后花园网文 - 探索新闻

  爱因斯坦的狭义相对论为我们提供了宇宙中光的速度极限,光的极限速度约为每秒30万公里。但是,声音的最高速度却未能确定。声音和光都以波的形式传播,但是它们的行为略有不同。

  声音是由介质中的振动引起的机械波。当波传播通过介质时,该介质的分子会相互碰撞,并在传递时传递能量。因此,介质越硬、压缩越困难、声音传播越快。例如,水比空气具有更紧密的堆积颗粒,这就是为什么鲸鱼可以在如此巨大的海洋距离内进行交流的部分原因。

  在坚硬的固体如钻石中,声音传播的速度甚至更快。当地震声波穿过地球时,我们利用此属性研究地球内部,我们甚至可以用它来了解恒星的内部。

  当一个粒子撞击另一个粒子时,由原子或分子振动组成的声波会通过一种材料传播。波的速度取决于多种因素,包括将材料结合在一起的化学键的类型以及其原子的质量。

  固体和液体中声速的上限仅取决于两个无量纲的量:精细结构常数和质子与电子的质量比。这是物理学家得出的令人惊讶的结论,他们计算出速度极限是迄今为止测得的最高声音速度的两倍。

  基本常数在声音最大速度中的作用是由于波如何在材料中移动而引起的。声音的传播归功于相邻原子电子的电磁相互作用,这正是精细结构常数发挥作用的地方。质子-电子质量比很重要,因为尽管电子相互作用,但原子核却随之移动。

  精细结构常数和质子电子质量比是无量纲常数,这意味着它们没有连接的单位(因此其值不取决于任何特定的单位系统)。这样的无量纲常数使物理学家着迷,因为这些值对于我们所知道的宇宙的存在至关重要。例如,如果精细结构常数发生了显着变化,就不可能形成恒星、行星和生命。但是没有人能解释为什么这些至关重要的数字具有它们所具有的价值。

物理学家:刚刚确认了声音的极限速度 - 后花园网文 - 探索新闻

  声音在弹性介质中作为一系列压缩和稀疏传播,其速度从一种材料到另一种材料都有很大变化。通常,声音在气体中最慢,在液体中更高,在固体中更高。在环境条件下的空气中,声音的传播速度约为340米/秒,而在水中,声音的传播速度约为1500米/秒,在铁中的声音传播速度超过5000米/秒。

  这些差异是由于通过的波干扰原子和分子的方式引起的。这些粒子被认为是与弹簧相互连接的坚硬球体,它们的相邻粒子在声音传播的方向上被向前撞击,进而推动其他相邻粒子向前移动。但是这种传输由于惯性而延迟,这意味着当粒子质量较小时,波的移动速度更快。

  更坚固的连接意味着更少的延迟

  但是,更硬的链接也意味着更少的延迟,每个粒子在触发邻居运动之前都必须移动较少。例如,这就是为什么声音通过铁比通过水传播更快的原因。

  研究人员开始着手根据基本常数重新构建该公式。他们的第一步是将材料的体积模量与将其原子结合在一起的能量联系起来,因为更大的刚度意味着更高的结合能。然后,他们认为后一项可以等同于里德伯格能量,这是凝聚态物质的特征结合能。

  醒目的配方

  所得公式证明是引人注目的,特别是用精细结构常数表示时,它设置了基本的电磁相互作用的强度,然后作为声音速度的上限。当所讨论的原子的质量是可能的最低质量氢原子的质量时,便达到上限。

物理学家:刚刚确认了声音的极限速度 - 后花园网文 - 探索新闻

  为了确定他们的方程式是否与测得的速度大致相符,研究人员将其预测值与通过实验获得的36种不同元素固体中的声速进行了比较。为此,他们使用对数图显示了这些速度如何随固体的原子质量变化,并且在同一张图上绘制了由方程式生成的直线倾斜线,该直线在高端终止于氢。

  金属氢

  为验证研究方法,研究人员使用密度泛函理论,从第一原理计算出了通过金属氢的声速。当暴露在非常高的压力下时,氢变成分子固体,据预测它将变成原子金属。应该保持速度记录的是这种金属状态。在这些条件下对氢进行建模,他们发现声音的传播速度应高达35,000米/秒,比任何其他材料都要快,但仍低于其上限。

物理学家:刚刚确认了声音的极限速度 - 后花园网文 - 探索新闻

  固体中的声波在许多科学领域已经非常重要。例如,地震学家使用地震在地球内部深处引发的声波来了解地震事件的性质和地球组成的特性。材料科学家也很感兴趣,因为声波与重要的弹性特性有关,包括抵抗压力的能力。

  

宇宙解码』的更多其他内容(随机显示)

01、宇宙如何终结?

2020/10/11 23:16:52

02、地球上唯一将铁融入外骨骼的物种

2020/10/11 23:16:52

03、太阳系内有黑洞?

2020/10/11 23:16:50

04、地球文明在轮回?2000米深海发现庞大结构

2020/10/9 20:46:19

05、外星人来自何方?对外星人的来源提出了哪些猜想?

2020/10/9 20:46:13

06、科学家发现24颗宜居星球,比地球更完美

2020/10/9 6:37:02

07、科学家在火星南极冰川下发现了一组咸水湖

2020/10/9 6:36:58

08、想要征服太阳系,一定要解决这4大问题,人类未来还有机会吗?

2020/10/9 6:36:56

09、太美了?哈勃太空望远镜拍摄的宇宙照片震撼人心

2020/10/7 21:51:37

10、时间旅行中,杀掉自己的祖父母会发生什么?

2020/10/7 21:50:42

11、肉眼能瞬间看到75亿光年外天体,是否意味“眼速”比光速快?

2020/10/7 21:50:37

12、NASA发布超清晰木星照,美得让人窒息

2020/10/7 21:49:46

13、哈勃太空望远镜拍摄的这10张最精彩照片

2020/10/6 15:35:41

14、“我们的存在”与“宇宙的存在”

2020/10/6 15:34:33

15、八大行星哪一个最可怕

2020/10/6 15:34:29

16、人类的最终宿命在哪里?

2020/10/6 15:34:28

17、红色星球——火星

2020/10/3 9:20:24

18、中国十大毒蜘蛛,第一名毒性超过响尾蛇(黑寡妇)

2020/10/3 9:20:24

19、八大行星中有4个气态行星,那么陨石和小行星会直接穿过它们吗?

2020/10/1 22:01:15

20、伽马射线暴vs黑洞哪个强 两者之间差距多少

2020/10/1 21:59:38

21、太平洋底发现“大型机场”,史前文明真存在过?

2020/10/1 21:59:28

22、是跳出时空,还是彻底消失?黑洞的另一面究竟有什么在等着我们!

2020/10/1 21:59:00

23、银河旁边的M87超大质量黑洞的阴影已经被观测到摇摆了若干年

2020/9/30 22:38:14

24、科普一下,假如地球被一次伽马射线暴击中,我们会经历什么?

2020/9/30 22:38:14

25、宇宙是某个生命体的大脑?

2020/9/30 22:38:02

26、科学家发现一明亮物体进入地球,又返回太空,可能会带走地球生命

2020/9/30 22:37:06

27、宇宙中最大的恒星能有多大?

2020/9/30 22:36:50

28、科学家在108亿光年外,发现“星际大战”遗迹

2020/9/30 22:36:25

29、宇宙中的物质从何而来?真的是“无中生有”吗?

2020/9/29 5:47:26

30、如果人类在太阳系中发现更落后的文明会怎样?

2020/9/29 5:47:02

31、保持警惕!太阳上的洞正在喷射粒子

2020/9/27 12:58:25

32、哈勃望远镜最新发现:宇宙第一批恒星和星系的形成比预期还要早

2020/9/27 12:58:07

33、为什么人类无法造出一粒米?原来它可能蕴含着宇宙的终极奥秘

2020/9/27 12:58:07

34、如果地球也有行星环,我们的世界会是什么样子?

2020/9/24 21:33:14

35、火星曾经是一个海洋覆盖的行星,拥有像地球一样浓厚的大气层

2020/9/24 21:33:12

36、四亿年前,恐龙和人类没有诞生,当时的地球上是什么样子?

2020/9/24 13:07:15

37、太阳到底是个怎样的星球?

2020/9/24 13:06:59

38、强行压缩水会发生什么?

2020/9/24 13:06:49

39、最新发现:在荒芜炎热的沙漠里的虾!

2020/9/24 13:06:35

40、在沙特阿拉伯发现12万年前的人类足迹

2020/9/23 20:11:46

41、十一维空间是什么?揭秘一维到十一维空间图解

2020/9/23 20:10:54

42、大开眼界:10种常见物品,在显微镜下呈现出这样神奇的真面目

2020/9/23 20:10:40

43、为什么地球的含氧量要维持在21%左右?高含氧量会带来什么后果?

2020/9/23 20:10:38

44、我国科学家发现远古动物的巨型精子,竟比动物本身的体长还长

2020/9/23 20:10:36

45、世界未解之谜,潘洛斯阶梯是什么原理,现实中有没有?

2020/9/22 17:43:26

46、恒星坍缩后,行星依然能生存

2020/9/22 17:41:47

47、光速无法超越,为什么光出现就能达到光速?什么力量推动光前进?

2020/9/22 17:41:44

48、美到震撼!你不曾见过的化学微观世界。

2020/9/21 14:03:26

49、为什么这颗新发现的行星原则上不该存在?

2020/9/21 14:02:38

50、巨引源是啥?为什么银河系在以600km/s向它靠近

2020/9/21 14:02:36