Prędkość dźwięku – fizycy określili górną granicę

Teoria względności Einsteina dała nam ograniczenie prędkości Wszechświata – światła w próżni. Ale absolutna maksymalna prędkość dźwięku, za pośrednictwem dowolnego medium, była nieco trudniejsza do ustalenia.

Niemożliwe jest zmierzenie prędkości dźwięku w każdym istniejącym materiale, ale naukowcom udało się teraz określić górną granicę w oparciu o podstawowe stałe, uniwersalne parametry, dzięki którym rozumiemy fizykę Wszechświata.

Według nowych obliczeń ograniczenie prędkości dźwięku wynosi 36 kilometrów na sekundę. To około dwa razy szybciej niż dźwięk przemieszczający się w diamencie.

Dźwięk i światło przemieszczają się jako fale, ale zachowują się nieco inaczej. Światło widzialne jest formą promieniowania elektromagnetycznego, tak zwaną, ponieważ fale świetlne składają się z oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych. Pola te wytwarzają samonapędzającą się falę elektromagnetyczną, która może przemieszczać się w próżni, a jej maksymalna prędkość wynosi około 300 000 kilometrów na sekundę. Podróżowanie przez medium, takie jak woda lub atmosfera, spowalnia je.

Dźwięk to fala mechaniczna, wywołana wibracją ośrodka. Gdy fala przechodzi przez ośrodek, cząsteczki tego ośrodka zderzają się ze sobą, przekazując energię. Stąd im sztywniejsze medium (trudniej je skompresować), tym szybciej dźwięk się rozchodzi. Na przykład woda ma ściślej upakowane cząsteczki niż powietrze i częściowo dlatego wieloryby mogą komunikować się w oceanie na tak duże odległości. W sztywnej bryle, takiej jak diament, dźwięk może rozchodzić się jeszcze szybciej. Te właściwości są wykorzystywane np. do badania wnętrza Ziemi, gdy przechodzą przez nią fale dźwiękowe pochodzące z trzęsień ziemi.

“Fale dźwiękowe w ciałach stałych już teraz mają ogromne znaczenie w wielu dziedzinach nauki”, powiedział naukowiec zajmujący się materiałami, Chris Pickard z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii.

Prawdopodobnie już widać problem z oszacowaniem maksymalnej prędkości dźwięku. Jak uwzględnić wszystkie możliwe materiały we Wszechświecie, aby określić bezwzględną górną granicę jego prędkości?

Tutaj przydatne są podstawowe stałe. Aby obliczyć ograniczenie prędkości dźwięku, zespół naukowców z Queen Mary University of London, University of Cambridge w Wielkiej Brytanii oraz Institute for High Pressure Physics w Rosji ustalił, że ograniczenie prędkości zależy od dwóch fundamentalnych stałych.

Są to stała struktury subtelnej, która charakteryzuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych między elementarnymi naładowanymi cząstkami oraz stosunek masy protonu do elektronu, który jest masą spoczynkową protonu podzieloną przez masę spoczynkową elektronu.

“Precyzyjnie dostrojone wartości stałej struktury subtelnej i stosunku masy protonów do elektronów oraz równowaga między nimi rządzą reakcjami jądrowymi, takimi jak rozpad protonu i synteza jądrowa w gwiazdach, prowadząc do powstania podstawowych elementów biochemicznych, w tym węgla. Ta równowaga zapewnia “wąską” strefę w przestrzeni, w której mogą tworzyć się gwiazdy i planety”, napisali naukowcy w artykule.

“Pokazujemy, że prosta kombinacja stałej struktury subtelnej i stosunku masy protonu do elektronu daje inną bezwymiarową wielkość, która ma nieoczekiwany i specyficzny wpływ na kluczową właściwość faz skondensowanych – prędkość, z jaką fale przemieszczają się w ciałach stałych i płynach lub prędkość dźwięku”.

Aby potwierdzić swoje równanie, zespół eksperymentalnie zmierzył prędkość dźwięku w dużej liczbie elementarnych ciał stałych i cieczy, uzyskując wyniki zgodne z przewidywaniami.

Jedną z konkretnych prognoz teorii zespołu jest to, że prędkość dźwięku powinna maleć wraz z masą atomu. Zgodnie z tą prognozą dźwięk powinien poruszać się najszybciej przez stały atom wodoru, który może istnieć tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach, przekraczających około 1 milion razy ciśnienie atmosferyczne Ziemi na poziomie morza (100 gigapaskali).

Uzyskanie próbki do eksperymentalnej weryfikacji tej prognozy byłoby niezwykle trudne, więc zespół polegał na obliczeniach opartych na właściwościach wodoru w stanie stałym między 250 a 1000 gigapaskali. I ponownie stwierdzili, że wyniki zgadzają się z ich przewidywaniami.

Jeśli wyniki zastosowania równania zespołu pozostaną spójne, może się ono okazać cennym narzędziem nie tylko do zrozumienia poszczególnych materiałów, ale także szerszego Wszechświata.

“Uważamy, że wyniki tego badania”, powiedział fizyk Kostya Trachenko z Queen Mary University w Londynie, „mogą mieć dalsze zastosowania naukowe, pomagając nam znaleźć i zrozumieć granice różnych właściwości, takich jak lepkość i przewodnictwo cieplne, a nawet fizykę czarnych dziur”.

 

Źródła: Michelle Starr

Scientists find upper limit for the speed of sound

Scientists Say They’ve Finally Made Metallic Hydrogen

The loudest voice in the animal kingdom

Introduction to the constants for nonexperts

Zdjęcia: Pixabay, Unsplash

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x