原理 - 从无量纲常数,到声速极限

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从无量纲常数,到声速极限 - 后花园网文 - 探索新闻

  声波或光波有速度极限吗?

  爱因斯坦狭义相对论定义了波传播的绝对速度极限,那就是光速,它大约等于3×10米/秒,没有任何东西能比光速更快。然而,对于声波来说,我们其实并不知道它在通过固体或液体时是否也存在一个速度上限。

  最近,一个物理学家团队通过两个基本常数预测出,在正常情况下,声波的传播速度不能超过36千米/秒。这个极限大约是声波在空气中的传播速度(~340米/秒)的106倍左右,它意味着在地球上自然存在的条件下,任何物质都不能承载超过这个极限的声波。研究结果被发表在了最近的《科学进展》杂志上。

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  这两个基本常数是精细结构常数(α)和质子-电子质量比( mp/me)。这是两个无量纲常数,没有单位的无量纲常数的数值不依赖于任何单位的选择。这样的常数常常令物理学家着迷,它们的数值对于我们所知的宇宙的存在至关重要。它们的数值仿佛被“精细调节”过。然而,没人能解释为什么这些重要的数字具有这样的值。

  可以说,这两个基本常数控制了恒星中的质子衰变和核合成等过程,这二者的平衡提供了一个狭窄的“宜居带”,在这里,恒星和行星可以形成,支持生命的分子结构能得以出现。

  而新的研究发现,这两个数字不仅对于我们理解宇宙有着重要意义,它们还可以影响到一些离我们的生活更加贴近的其他科学领域,比如材料科学和凝聚态物理学,扩展到一些更加普通的概念上,比如声速。物理学家发现,当这两个常数以正确的方式组合在一起时,就能从中推算出声速的极限。

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  声音的速度上限可以由两个无量纲常数(精细结构常数、质子-电子质量比)给出。

  声波是由原子或分子的振动构成的,当声波通过物质时,一个粒子与另一个粒子碰撞。在不同的物质中,声音会以不同的速度传播,比如它们在固体中传播的速度要比在液体或气体中快得多。声音的速度取决于很多因素,比如将物质结合在一起的化学键类型,以及原子的质量。

  在声音的最大速度计算中,基本常数的作用是由声波穿过物质的方式决定的。声音的传播依赖于相邻原子的电子的电磁相互作用,这也正是精细结构常数发挥作用的地方;而质子-电子的质量比之所以重要,是因为尽管电子在相互作用,但原子核会因此而移动。

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  研究人员推算出的极限数值约等于36100米/秒,这个极限适用于在地球常见压力下的固体和液体。他们在许多材料上测试了这一理论预测,发现过去在任何液体和固体中所测量的声速,都没有超过这一提出的理论极限。在此之前,声速的最大值是在钻石中测得的,它只有这一理论预测的一半左右。

  那么这一极限完全没有可能被突破吗?这一点与他们理论中的一个具体预测有关,即声速应该随着原子质量的增加而减小,这一预测意味着,声音在固体氢原子中的速度应该最快。这一点得到了他们所进行的各项测试的检验,但是对于“固态氢”中的声速,却只能通过计算而无法直接展开测量。

  当对氢施加百万倍于大气压的压力时,氢会被压缩成固体,在这样的情况下,有理论认为,氢会成为能导电的金属氢,并且有可能具有室温超导性。今年年初,一个法国物理学家团队发现了迄今为止能证明金属氢存在的最有力证据,但至今为止,这种金属至并没有被完全地令人信服地制造出来,因此在新的研究中,物理学家只能对金属氢中的声速进行计算,而无法展开任何测量。

  研究人员进行了量子力学计算,计算结果表明,固体氢原子中的声速接近理论的基本极限,当压力超过地球大气压力的600万倍时,声速极限将被打破。这意味着,在极高的压强下,声波的传播速度或许可以突破这个极限。

  参考来源:

  https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662

  https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/qmuo-sfu100720.php

  https://www.sciencenews.org/article/sound-new-speed-limit-physics-fundamental-constants-earth

  封面图来源:geralt / Pixabay

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