ЛЕНТА

Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Физики вывели формулу, которая описывает предел скорости распространения звука. Максимальная скорость звука составила примерно 36 километров в секунду, а для ее вывода потребовались фундаментальные физические постоянные — отношение массы протона к массе электрона и постоянная тонкой структуры. Работа опубликована в Science Advances.

В отличие от света, который может распространяться в вакууме и имеет там наибольшую скорость, со звуком дела обстоят иначе. Сама по себе звуковая волна — это распространяющееся возмущение среды, поэтому без среды нет и звука. Известно, что звук быстрее движется в жидкостях или твердых телах, чем в газах. Чем ближе молекулы или атомы вещества находятся друг к другу и чем сильнее они взаимодействуют, тем быстрее они будут распространять колебания. Поэтому скорость звука тесно связана с параметрами среды, в которой звук распространяется и возникает вопрос о том, насколько быстро вообще может двигаться звуковая волна.

Ученые из Лондонского университета королевы Марии, Кэмбриджского университета и Института физики высоких давлений под руководством Вадима Бражкина (Vadim Brazhkin) смогли вывести предел для скорости звука, сравнили его с экспериментальными скоростями в разных средах и выяснили, где звук может распространяться быстрее всего.

Слева — зависимость скорости звука от атомной массы, сплошная линия — теоретическая зависимость, синие точки — эксперимент, красная точка — предел скорости. Справа — экспериментальные значения скоростей звука 124 твердых тел (круги) и 9 жидкостей (ромбики)

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Поделиться

Они использовали два разных подхода для того, чтобы вывести формулу для скорости звука. В первом варианте авторы рассматривали упругие свойства среды, в которой распространяется звук, а во втором случае смотрели на нее как на колебательную систему. Оба подхода показали, что скорость звука зависит от масс электрона и произведения массы протона на атомную массу, а первый указал еще и на зависимость от постоянной тонкой структуры. А итоговая формула имеет вид:

K. Trachenko et al. / Science Advances, 2020

Поделиться

Где α — постоянная тонкой структуры, me — масса электрона, m=Amp — произведение атомной массы на массу протона, c — скорость света в вакууме. Такой набор величин неслучаен: масса протона и атомная масса характеризуют атомы, которые участвуют в распространении звуковой волны, а масса электрона и постоянная тонкой структуры отвечают за их электромагнитное взаимодействие. Если атомная масса равна единице, то предельная скорость звука получается равной примерно 36 километров в секунду.

Ученые получили зависимость скорости звука от атомной массы и сравнили ее с экспериментальными результатами для 36 разных элементов. Несмотря на большой разброс в экспериментальных данных, линейный коэффициент корреляции Пирсона оказался равным −0,71, что говорит о значительной корреляции между теорией и экспериментом. Кроме этого, авторы проверяли свой результат не только для веществ, состоящими из одинаковых атомов, но и для соединений, и даже для жидкостей. Средняя скорость звука для всех рассмотренных веществ совпала с теоретической с точностью 14 процентов.

Если сравнить теоретический предел скорости звука с самой большой наблюдаемой экспериментально величиной (скоростью звука в алмазе), то окажется, что они отличаются почти в два раза (36 километров в секунду в теории и примерно 18,35 в алмазе). Поэтому остается открытым вопрос о существовании среды, в которой скорость звука близка к предельному значению. Моделирование показало, что такая среда — это металлический водород, который находится при очень высоком давлении. В определенной конфигурации и при давлении выше 600 гигапаскалей скорость звука в таком веществе оказывается больше предельной.

Пока возможность экспериментального измерения скорости звука в металлическом водороде, как и его существование остаются под вопросом, ученые исследуют другие интересные среды. Например, скорость звука в гелиосферной мантии удалось определить с помощью «Вояджеров», а Физики из синхротронного центра DESY не только измерили скорость звука в алмазе, но и сняли распространение ударной волны с помощью рентгеновского излучения.

Оксана Борзенкова

источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.