Ученым удалось определить верхний предел скорости звука - «Наука и технологии»

Международная группа, в которую входили ученые из университета королевы Марии, Лондон, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений, Троицк, Россия, провела ряд исследований, результатом которых стало полученное значение верхнего (максимального) предела скорости распространения звуковых волн. Это значение оказалось равно 36 километрам в секунду, в два раза больше, чем скорость распространения звука в алмазе, самого твердого из всех известных материалов на сегодняшний день.

Волны, такие, как звуковые и электромагнитные, являются колебаниями, которые перемещают заключенную в них энергию из одного места в другое. Звуковые волны могут распространяться в различных средах, в воздухе, в воде и в твердых телах, и в каждой из таких сред скорость распространения звука имеет свое значение. К примеру, чем больше плотность среды, тем быстрее в ней распространяется звук, это объясняет, почему можно узнать о приближении поезда гораздо раньше, прислонив ухо к рельсу железнодорожного пути.

Теория специальной относительности Альберта Эйнштейна устанавливает абсолютный максимальный предел ограничения любой скорости, который равен скорости света в вакууме и составляет около 300 тысяч километров в секунду. Однако, до последнего времени никому не было известно, существует ли какой-то свой верхний предел для скорости распространения звуковых волн.

Проведенные упомянутыми выше учеными предварительные исследования показали, что верхний предел скорости звука может зависеть от значения двух безразмерных фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры (fine structure constant) и соотношения массы протона к массе электрона.

Эти два значения, как уже хорошо известно, играют очень большую роль в деле понимания нами природы, строения и "функционирования" Вселенной. Их точно измеренные значения определяют ход ядерных реакций, таких, как распад протонов и процессы термоядерного синтеза, протекающие в недрах звезд. Баланс между этими двумя константами определяет узкую полосу "пригодной для жизни зоны", в которой на поверхности планет могут начать формироваться молекулярные структуры, являющиеся первыми "проблесками" будущей жизни.

Однако, результаты новых исследований указывают на то, что две фундаментальные константы также могут влиять и на другие явления и процессы, имеющие отношение к материаловедению, физике конденсированной материи, где их значения устанавливают некоторые пределы для определенных свойств материала, включая и скорость звука в этих материалах.

Ученые произвели проверку их теории относительно скорости звука на очень широком ряде различных материалов, что позволило подтвердить предположение, что с увеличением массы атома скорость звука в среде этого вещества будет уменьшаться. Это, в свою очередь, подразумевает, что самая большая скорость звука будет в среде твердого атомарного водорода. Однако, такая форма водорода получается только при очень высоких давлениях, выше 1 миллиона атмосфер, что сопоставимо с давлением в ядре газовых гигантских планет, таких, как Юпитер. При таких давлениях водород переходит в твердую металлическую форму, он обладает электрической проводимостью и, согласно некоторым теориям, является сверхпроводником, критическая точка которого находится в диапазоне комнатных температур.

Для расчетов ученые использовали созданную ими квантово-механическую модель металлической атомарной формы водорода. Вычисления, проведенные при помощи этой модели, дали ученым значение скорости звука, очень близкое к фундаментальному пределу, полученному теоретическим путем.

"Распространение звуковых волн в твердых материалах имеет очень важное значение для многих научных областей. К примеру, сейсмологи используют звуковые волны для изучения природы сейсмических явлений и изучения строения земных недр" - рассказывает Крис Пикард (Chris Pickard), профессор материаловедения из Кембриджского университета, - "Звуковые волны представляют большой интерес и для материаловедов, так как их распространение связано с упругими свойствами материалов и реакцией этих материалов на физическое напряжение и деформацию".