科學(xué)家提出音速上限是每秒36公里，在固體氫中傳播才會出現(xiàn)

　　中學(xué)物理告訴我們，音速并不是一個確定的數(shù)值，因不同的介質(zhì)和條件而變化?？諝庵械囊羲僭?個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340m/s。而在固體中，聲音的傳播速度就要遠(yuǎn)大于空氣中和液體中。

　　例如，鐵棒中的音速在20℃條件下可達(dá)到約5130m/s。這就是為什么一列火車從遠(yuǎn)處駛來，我們會先聽到鐵軌的震動聲，然后再聽到火車的鳴笛聲。

　　通常來說，聲音在固體中的傳播速度又與介質(zhì)的剛度和密度相關(guān)。可以說，材料越“硬”，音速往往會越快。

　　那么，音速最快可以達(dá)到多少呢？10月9日發(fā)表在《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）上的一篇論文給出的數(shù)字是36100m/s。這比最硬的天然物質(zhì)——金剛石中的音速將近快上一倍！

　　聲波本質(zhì)上是一種能量在介質(zhì)中的傳輸形式。愛因斯坦的狹義相對論給波的傳播設(shè)定了絕對的速度極限，即真空光速，約為每秒30萬公里。然而，科學(xué)家們此前并不知道聲波在固體中傳播時是否也有一個速度上限。

　　來自英國倫敦瑪麗女王大學(xué)、劍橋大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們在論文中指出，音速的上限取決于兩個無量綱基本常數(shù)：精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)與質(zhì)子電子質(zhì)量比。

　　所謂無量綱數(shù)，是一個單純的數(shù)字，沒有諸如長度、時間等單位。我們比較熟悉的無量綱數(shù)包括圓周率π、自然常數(shù)e等。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α就是這樣一個無量綱數(shù)，指的是電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空光速的比值。質(zhì)子電子質(zhì)量比更為直觀，即質(zhì)子和電子的質(zhì)量比值。

　　這兩個無量綱數(shù)精細(xì)地控制著恒星內(nèi)部的核合成、重元素起源和質(zhì)子衰變等過程，兩個數(shù)字共同決定了恒星和行星只能在一個狹窄的范圍內(nèi)形成可以支持生命活動的分子結(jié)構(gòu)。而在論文中，作者們提出了一個新的視角：這兩個數(shù)字同樣影響著材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理。將兩者結(jié)合可以得出一個新的無量綱數(shù)：凝聚相中的音速與真空光速的比值。

　　從而，他們對凝聚相中的音速提出了上限，計算結(jié)果約為36100m/s。

　　那么，我們到底在什么樣的凝聚態(tài)材料上才可以找到這種極限音速呢？科學(xué)家們在一系列材料上進(jìn)行了實驗和計算，進(jìn)一步提出了更為具體的預(yù)測：音速會隨著材料原子質(zhì)量的增加而變慢。這意味著，極限音速會出現(xiàn)在質(zhì)量最小的原子——氫原子中。

　　不過，我們熟悉的氫原子都是以氫氣的形態(tài)出現(xiàn)的，要把它們“壓”成固體，起碼需要250Gpa，超過100萬倍大氣壓。在如此的高壓下，氫變身為一種金屬固體導(dǎo)電體，就像銅一樣。科學(xué)家們還預(yù)言，它會是一種室溫超導(dǎo)體。

　　用量子力學(xué)理論進(jìn)行計算模擬后，研究人員發(fā)現(xiàn)固體氫中的音速確實接近前面提出的上限。（記者 虞涵棋）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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