聲波迄今最大速度上限：約36千米/秒有望讓材料科學(xué)等多領(lǐng)域受益

2020-10-13 09:34:48 來源：科技日報(bào)

愛因斯坦的狹義相對論為光波的傳輸速度設(shè)定了上限：300000千米秒，但科學(xué)家一直不清楚其孿生兄弟——聲波在固體或液體中傳播時(shí)是否也有速度上

愛因斯坦的狹義相對論為光波的傳輸速度設(shè)定了上限：300000千米/秒，但科學(xué)家一直不清楚其“孿生兄弟”——聲波在固體或液體中傳播時(shí)是否也有速度上限。英國科學(xué)家在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志中指出，他們發(fā)現(xiàn)了聲波迄今最大速度上限：約36千米/秒，了解這一值有望讓材料科學(xué)等多領(lǐng)域受益。

來自倫敦瑪麗皇后大學(xué)、劍橋大學(xué)和高壓物理研究所的科學(xué)家在固態(tài)氫原子內(nèi)發(fā)現(xiàn)了這一聲速上限，這一速度是聲波在鉆石(迄今已知地球上最堅(jiān)固材料)內(nèi)傳輸速度的兩倍左右。

聲波可通過不同介質(zhì)(如空氣或水)傳播，而且，不同介質(zhì)內(nèi)聲波的傳播速度也不同，其在固體內(nèi)比在液體或氣體內(nèi)“跑得更快”。研究還發(fā)現(xiàn)，聲速的上限取決于兩個(gè)基本常數(shù)：精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和質(zhì)子—電子質(zhì)量比。

研究人員解釋稱，這兩個(gè)常數(shù)對于我們理解宇宙也至關(guān)重要。比如，這兩個(gè)常數(shù)掌控著核反應(yīng)，如質(zhì)子衰變和恒星內(nèi)的核合成。而且，這兩個(gè)數(shù)值間的平衡提供了一個(gè)狹窄的“宜居區(qū)域”——在該區(qū)域內(nèi)，恒星和行星得以形成，生命的分子結(jié)構(gòu)也悄然出現(xiàn)。

此外，其他新發(fā)現(xiàn)還表明，這兩個(gè)基本常數(shù)還可以限制特定材料屬性(如聲速)的數(shù)值，影響材料學(xué)和凝聚態(tài)物理等科學(xué)領(lǐng)域。

研究人員首先提出了一種預(yù)測——聲速應(yīng)隨原子質(zhì)量的增大而降低。這表明，聲音在固體原子氫內(nèi)傳輸速度最快。由于氫僅在壓力達(dá)100萬個(gè)大氣壓以上才變?yōu)楣腆w，而在這樣的高壓下，氫成為一種金屬固體導(dǎo)電材料，且有可能是一種室溫超導(dǎo)體。隨后，研究人員在多種材料上進(jìn)行檢測，并進(jìn)行了最先進(jìn)的量子力學(xué)計(jì)算，結(jié)果表明，聲波在固體氫原子內(nèi)的傳輸速度接近理論極限值。

劍橋大學(xué)材料科學(xué)教授克里斯·皮卡德表示：“了解聲波在固體內(nèi)的特性，可以讓多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域受益，如地震學(xué)家可以利用地球內(nèi)部深處地震引發(fā)的聲波來了解地震的本質(zhì)以及地球的組成，而且聲波與重要的彈性特性(包括抗壓能力)有關(guān)，這也令材料科學(xué)家感興趣。”