Фізики заборонили звуку поширюватися зі швидкістю понад 36 км/с
Фізики вивели формулу, яка описує межу швидкості поширення звуку. Максимальна швидкість звуку становила приблизно 36 кілометрів на секунду, а для її виведення знадобилися фундаментальні фізичні постійні - відношення маси протону до маси електрону і постійна тонкої структури. Роботу опубліковано в
На відміну від світла, яке може поширюватися у вакуумі і має там найбільшу швидкість, зі звуком справи йдуть інакше. Сама по собі звукова хвиля - це обурення середовища, що поширюється, тому без середовища немає і звуку. Відомо, що звук швидше рухається в рідинах або твердих тілах, ніж у газах. Чим ближче молекули або атоми речовини знаходяться один до одного і чим сильніше вони взаємодіють, тим швидше вони будуть поширювати коливання. Тому швидкість звуку тісно пов'язана з параметрами середовища, в якому звук поширюється і виникає питання про те, наскільки швидко взагалі може рухатися звукова хвиля.
Вчені з Лондонського університету королеви Марії, Кембриджського університету та Інституту фізики високих тисків під керівництвом Вадима Бражкіна (Vadim Brazhkin) змогли вивести межу для швидкості звуку, порівняли її з експериментальними швидкостями в різних середовищах і з'ясували, де звук може поширюватися найшвидше.
Вони використовували два різних підходи для того, щоб вивести формулу для швидкості звуку. У першому варіанті автори розглядали пружність властивості середовища, в якому поширюється звук, а в другому випадку дивилися на неї як на коливальну систему. Обидва підходи показали, що швидкість звуку залежить від мас електрона і твору маси протону на атомну масу, а перший вказав ще й на залежність від постійної тонкої структури. А підсумкова формула має вигляд:
Де - постійна тонка структура, me - маса електрона, m = Amp - витвір атомної маси на масу протона, c - швидкість світла у вакуумі. Такий набір величин невипадковий: маса протона і атомна маса характеризують атоми, які беруть участь у поширенні звукової хвилі, а маса електрона і постійна тонкої структури відповідають за їх електромагнітну взаємодію. Якщо атомна маса дорівнює одиниці, то гранична швидкість звуку виходить рівною приблизно 36 кілометрів на секунду.
Вчені отримали залежність швидкості звуку від атомної маси і порівняли її з експериментальними результатами для 36 різних елементів. Незважаючи на великий розкид в експериментальних даних, лінійний коефіцієнт кореляції Пірсона виявився рівним ‑ 0,71, що говорить про значну кореляцію між теорією та експериментом. Крім цього, автори перевіряли свій результат не тільки для речовин, що складаються з однакових атомів, але і для сполук, і навіть для рідин. Середня швидкість звуку для всіх розглянутих речовин збіглася з теоретичною з точністю 14 відсотків.
Якщо порівняти теоретичну межу швидкості звуку з найбільшою спостережуваною експериментально величиною (швидкістю звуку в алмазі), то виявиться, що вони відрізняються майже вдвічі (36 кілометрів на секунду в теорії і приблизно 18,35 в алмазі). Тому залишається відкритим питання про існування середовища, в якому швидкість звуку близька до граничного значення. Моделювання показало, що таке середовище - це металевий водень, який знаходиться при дуже високому тиску. У певній конфігурації і при тиску вище 600 гігапаскалів швидкість звуку в такій речовині виявляється більше граничною.
Поки можливість експериментального вимірювання швидкості звуку в металевому водні, як і його існування залишаються під питанням, вчені досліджують інші цікаві середовища. Наприклад, швидкість звуку в геліосферній мантії вдалося визначити за допомогою «Вояджерів», а Фізики з синхротронного центру DESY не тільки виміряли швидкість звуку в алмазі, але і зняли поширення ударної хвилі за допомогою рентгенівського випромінювання.