Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) устанавливает абсолютный предел скорости, с которой может двигаться волна – скорость света в вакууме составляет примерно 300 000 км в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при прохождении через твердые тела или жидкости. Недавно британским и российским ученым удалось выяснить, как определить верхний предел скорости звуковых волн, зависящих от центральных констант – общих параметров, с помощью которых мы постигаем таинственную физику нашей Вселенной. Это ограничение скорости, как показали результаты исследования, опубликованного в журнале Science Improvements, составляет 36 километров в секунду, что примерно вдвое больше скорости звука, проходящего через самый твердый драгоценный материал на Земле – алмаз.

Скорость звука – скорость распространения в среде упругих волн.

Как распространяются световые и звуковые волны?

Итак, верхний предел скорости звука, согласно новым расчетам, составляет 36 километров в секунду, что примерно в два раза превышает скорость передачи звука через алмаз. Звук и свет путешествуют как волны, но ведут себя немного по-разному. Так, скорость звука определяется упругостью и плотностью среды, в газах и жидкостях она меньше, в твердых телах — больше. А вот в вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться.

Видимый свет – это разновидность электромагнитного излучения, названного так главным образом потому, что световые волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей. Эти поля генерируют самоподдерживающуюся электромагнитную волну, которая может перемещаться в вакууме – и ее основная скорость составляет около трехсот тысяч километров в секунду. А вот путешествие через среду, такую как вода или атмосфера, замедляет ее.

Представьте себе механическую волну, которая вызвана вибрацией в среде. Когда волна проходит через среду, молекулы этой среды сталкиваются друг с другом, передавая энергию по ходу движения. Следовательно, чем жестче среда и чем сложнее ее сжать – тем быстрее распространяется звук. В жестком надежном материале, как алмаз, звук может путешествовать еще быстрее.

Если приложить ухо к рельсам, вы услышите звук приближающегося поезда быстрее, чем по воздуху.

В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе.

Авторы нового исследования отмечают, что сейсмологи, например, используют звуковые волны, вызванные землетрясениями глубоко в недрах земли, чтобы понять характер сейсмических событий и внутреннее строение земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам. Все вышеперечисленное означает, что существует определенная проблема с тем, чтобы установить ограничение скорости звука во Вселенной. Так как же исследователям это удалось?

Ограничение скорости звука

Чтобы оценить ограничение скорости звука, группа исследователей из Лондонского университета Королевы Марии, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке обнаружила, что ограничение скорости звука зависит от двух фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры (фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия) и отношения масс протона и электрона (одна из важных физических констант, известна с большой точностью — 1836,152672.).

Точно настроенные значения постоянной тонкой структуры и отношения массы протона к массе электрона, а также равновесие между ними управляют ядерными реакциями такого типа, как распад протонов и ядерный синтез в звездах. Баланс между этими двумя величинами задает узкий коридор «зоны обитаемости» или «зоны Златовласки» – условной зоны в космосе с наиболее благоприятными условиями для жизни, – пишут авторы научной работы.

Авторы исследования надеются, что полученные результаты будут иметь дальнейшее научное применение.

Исследователи предположили, что темп звука уменьшается с увеличением массы атома. Проверив это предположение на широком спектре разнообразных материалов, ученые пришли к выводу о том, что звук должен передаваться быстрее всего через твердый атомарный водород, который может существовать только при очень высоком давлении, например, в ядрах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн (давление на самых больших планетах Солнечной системы превышает один миллион атмосфер). Находясь в твердом состоянии атомарный водород представляет собой металл со сверхпроводниковыми свойствами. После проведения сложных квантово-механических расчетов исследователи определили что в твердом атомарном водороде скорость звука ближе всего к теоретическому пределу.

Издание Science Alert приводит слова одного из авторов исследования физика Константин Траченко (Kostya Trachenko) из Лондонского университета Королевы Марии:

Мы надеемся, что результаты научной работы получат дальнейшее применение в науке, что поможет исследователям найти и понять предельные значения различных свойств, например вязкость и теплопроводность, которые относятся к высокотемпературной сверхпроводимости, кварк-глюонной плазме и физике черных дыр.

Ну что ж, будем ждать!