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.
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:
Где α — постоянная тонкой структуры, m
— масса электрона, m=Am
— 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