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科学科学家首次确认声音速度极限，约为空气中传播速度的105倍


科学科学家首次确认声音速度极限，约为空气中传播速度的105倍
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图片来源@视觉中国文丨学术头条 ， 编审丨王新凯
波 ， 如声波或光波 ， 是将能量从一个地方移动到另一个地方的干扰现象 。 声波可以通过不同的介质 ， 如空气或水 ， 并以不同的速度传播 。 也就是说 ， 声音的传播速度 ， 取决于它们通过的介质是什么 。
从中学物理课上我们就知道 ， 声音在空气中的传播速度大约是 340 米 / 秒 ， 而声音在固体中的传播则更快 ， 比如在地球上已知的最坚硬的物质金刚石（钻石）中 ， 声音的传播速度能够达到 18 千米 / 秒 。
但是 ， 一直以来科学家们并不知道 ， 声波在固体或液体传播时 ， 是否像光速一样也存在速度上限 。
近日 ， 伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学和俄罗斯特洛伊茨克高压物理研究所的科学家们 ， 发现了宇宙中声音可能的最快传播速度 ， 即大约 36 千米 / 秒 ， 相当于声音在金刚石中速度的两倍 ， 空气中速度的 105 倍 ， 约真空中光速的 8000 分之一 。
科学科学家首次确认声音速度极限，约为空气中传播速度的105倍
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这一研究结果 ， 发表在《科学进展》杂志上 。
波的速度极限
自从阿尔伯特?爱因斯坦 1905 年提出狭义相对论以来 ， 任何一种波 —— 无论是电磁波（包括可见光）还是引力波 —— 在真空中传播的绝对速度极限就已经为人所知 ， 大约等于 30 万千米 / 秒 。
但声波又与光波有所不同 ， 它是一种通过使相邻粒子相互作用而传播的波 。 所以声波的传播速度 ， 取决于通过材料的密度以及内部原子的结合方式 。
也就是说 ， 一个物质的原子撑死了只能移动这么快 ， 那么声音的速度 ， 也就受到了这种物质原子移动速度的限制 。
通常来说 ， 声音在固体中的传播速度比液体快 ， 而液体中的传播速度又比气体快 。 例如 ， 声音在钢铁中传播的速度要比在水或空气中快得多 ， 这就是为什么我们耳朵贴近铁轨 ， 能更快听到火车靠近的声音 。
为了寻找声波的理论最大传播速度 ， 伦敦玛丽皇后大学的 Kostya Trachenko 和他的同事们从两个众所周知的物理常数开始：质子质量与电子质量的比值 ， 以及表示带电粒子间相互作用强度的精细结构常数（物理学中一个重要的无量纲数 ， 表示电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值） 。
这两个数字在我们理解宇宙中起着重要的作用 。 它们巧妙且精确地控制着恒星中的质子衰变和核聚变等核反应 。 并且 ， 这两个数字之间的平衡 ， 提供了一个狭窄的 “宜居地带” ， 在这里 ， 恒星和行星可以形成 ， 支持生命的分子结构可以出现 。
Trachenko 表示 ， 我们对这些宇宙常熟已经有非常深入的了解 ， 因为如果它们发生哪怕一点点的变化 ， 宇宙就会完全不像现在这样 。
“如果你把这些常数改变几个百分点 ， 那么质子可能就不再稳定了 ， 你甚至可能无法在恒星中进行合成重元素的过程 ， 所以就不会有碳和生命了 。 ”
而有趣的是 ， 新的发现表明 ， 这两个基本常数也可以通过限制特定的材料属性 ， 如声速 。
最大速度是如何计算出来的?
研究人员根据他们的理论预测 ， 声波的传播速度 ， 应该随着介质原子质量的增加而减小 。
这一预测意味着 ， 理论上存在于巨行星中心的固体金属氢 ， 应该有最高的声速 。 然而 ， 固态氢需要在 100 万倍大气压以上的条件下才能存在 ， 这样的压力条件 ， 堪比木星这样的气态巨星核心 ， 在地球上根本不可能存在 。
在这样的压力下 ， 氢变成了一种迷人的金属固体 ， 像铜一样导电 ， 并且被预测为室温超导体 。 因此 ， 研究人员通过最先进的量子力学计算来测试这一预测 ， 并发现固体氢原子中的声速接近理论的基本极限 ， 即 36100 米 / 秒 。


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