Спільні дослідження Лондонського університету Королеви Марії, Кембриджського університету та Інституту фізики високих тисків у Троїцьку відкрили максимально можливу швидкість звуку. Отриманий результат - близько 36 км в секунду - приблизно в два рази швидше, ніж швидкість звуку в алмазі, найтвердішому відомому матеріалі в світі.
Хвилі, такі як звукові або світлові хвилі, - це обурення, які переміщують енергію з одного місця в інше. Звукові хвилі можуть проходити через різні середовища, такі як повітря або вода, і рухатися з різною швидкістю залежно від того, через що вони проходять.
Наприклад, вони рухаються через тверді тіла набагато швидше, ніж через рідини або гази, тому ви можете почути поїзд, що наближається, набагато швидше, якщо ви будете слухати звук, що поширюється по рейкових коліях, а не через повітря.
Спеціальна теорія відносності Ейнштейна встановлює абсолютну межу швидкості, з якою може рухатися хвиля, що дорівнює швидкості світла, що становить близько 300 000 км на секунду. Однак досі не було відомо, чи мають звукові хвилі верхню межу швидкості при русі через тверді тіла або рідини.
Дослідження, опубліковане в журналі Science Advances, показує, що передбачення верхньої межі швидкості звуку залежить від двох безрозмірних фундаментальних констант: постійної тонкої структури і ставлення мас протону до електрону.
Вже відомо, що ці два числа відіграють важливу роль у розумінні нашого Всесвіту. Їх значення керують ядерними реакціями, такими як розпад протона і ядерний синтез у зірках, а баланс між двома числами забезпечує вузьку «населену зону», де можуть утворюватися зірки і планети і можуть виникати молекулярні структури, що підтримують життя.
Однак нові результати показують, що ці дві фундаментальні константи також можуть впливати на інші галузі науки, такі як матеріалознавство і фізика конденсованого стану, шляхом встановлення обмежень на певні властивості матеріалу, такі як швидкість звуку.
Вчені перевірили своє теоретичне передбачення на широкому спектрі матеріалів і звернулися до одного конкретного передбачення своєї теорії, згідно з яким швидкість звуку повинна зменшуватися з масою атома.
Це передбачення передбачає, що найшвидший звук буде в твердому атомарному водні. Однак водень являє собою тверде тіло тільки при дуже високому тиску, що перевищує 1 мільйон атмосфер, тиск можна порівняти з тиском в ядрі газових гігантів, таких як Юпітер.
При таких тисках водень стає дивовижним металевим твердим тілом, що проводить електрику, точно так само, як мідь, і, як передбачають, є надпровідником при кімнатній температурі. Тому дослідники виконали сучасні квантово-механічні розрахунки, щоб перевірити це передбачення, і виявили, що швидкість звуку в твердому атомарному водні близька до теоретичної фундаментальної межі швидкості.
Професор Кріс Пікард, професор матеріалознавства в Кембриджському університеті, сказав: "Звукові хвилі в твердих тілах вже мають величезне значення в багатьох галузях науки. Наприклад, сейсмологи використовують звукові хвилі, викликані землетрусами глибоко всередині Землі, щоб зрозуміти природу сейсмічних впливів. події та властивості складу Землі. Вони також мають інтерес для матеріалознавців, тому що звукові хвилі пов'язані з важливими пружними властивостями, включаючи здатність протистояти навантаженням ".