Определен верхний предел скорости звука

Британские и российские физики впервые рассчитали максимально возможную скорость звука — 36 километров в секунду. Это примерно в два раза больше, чем скорость звука в алмазе, самом твердом известном материале в мире. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Специальная теория относительности Эйнштейна устанавливает абсолютный предел скорости, с которым может двигаться волна. Он равен скорости света — примерно 300 тысяч километров в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли верхний предел скорости звуковые волны.

Скорость звука определяется упругостью и плотностью среды, в газах и жидкостях она меньше, в твердых телах — больше. Поэтому, приложив ухо к рельсам, можно услышать приближающийся поезд намного раньше, чем шум от него придет по воздуху.

Ученые из Лондонского университета Королевы Марии, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке рассчитали максимально возможную скорость звука на основе двух безразмерных фундаментальных физических констант: постоянной тонкой структуры и отношения масс протона и электрона.

Известно, что эти два числа играют ключевую роль во многих процессах Вселенной: от их значения зависит ход таких реакций, как распад протона и ядерный синтез в звездах, а баланс между этими двумя величинами задает узкий коридор «обитаемой зоны», где могут образовываться планеты и возникать поддерживающие жизнь молекулярные структуры.

Авторы предположили, что скорость звука должна уменьшаться с увеличением массы атома. Согласно этому теоретическому предсказанию, которое ученые проверили на широком спектре материалов, самый быстрый звук будет в твердом атомарном водороде.

В ядре газовых гигантов, таких как Юпитер, где давление превышает один миллион атмосфер, водород находится в твердом состоянии, он представляет собой металл, обладающий сверхпроводниковыми свойствами. Выполнив сложные квантово-механические расчеты, авторы определили, что скорость звука в твердом атомарном водороде близка к теоретическому фундаментальному пределу.

«Звуковые волны в твердых телах имеют важное значение во многих областях науки, — приводятся в пресс-релизе Лондонского университета Королевы Марии слова одного из авторов исследования Криса Пикарда (Chris Pickard), профессора материаловедения из Кембриджского университета. — Например, сейсмологи используют звуковые волны, вызванные землетрясениями, чтобы понять природу и внутреннее строение Земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам».

Авторы считают, что результаты исследования будут иметь и серьезное научное применение, в частности, помогут найти пределы таких физических параметров, как вязкость и теплопроводность, используемых в теоретических расчетах, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью, кварк-глюонной плазмой и физикой черных дыр.