声波最大速度上限算出 有望让材料科学等多领域受益

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日期:2020-10-12 11:29:00    来源:科技日报    

爱因斯坦的狭义相对论为光波的传输速度设定了上限:300000千米/秒,但科学家一直不清楚其“孪生兄弟”——声波在固体或液体中传播时是否也有速度上限。英国科学家在最新一期《科学进展》杂志中指出,他们发现了声波迄今最大速度上限:约36千米/秒,了解这一值有望让材料科学等多领域受益。

来自伦敦玛丽皇后大学、剑桥大学和高压物理研究所的科学家在固态氢原子内发现了这一声速上限,这一速度是声波在钻石(迄今已知地球上最坚固材料)内传输速度的两倍左右。

声波可通过不同介质(如空气或水)传播,而且,不同介质内声波的传播速度也不同,其在固体内比在液体或气体内“跑得更快”。研究还发现,声速的上限取决于两个基本常数:精细结构常数和质子—电子质量比。

研究人员解释称,这两个常数对于我们理解宇宙也至关重要。比如,这两个常数掌控着核反应,如质子衰变和恒星内的核合成。而且,这两个数值间的平衡提供了一个狭窄的“宜居区域”——在该区域内,恒星和行星得以形成,生命的分子结构也悄然出现。

此外,其他新发现还表明,这两个基本常数还可以限制特定材料属性(如声速)的数值,影响材料学和凝聚态物理等科学领域。

研究人员首先提出了一种预测——声速应随原子质量的增大而降低。这表明,声音在固体原子氢内传输速度最快。由于氢仅在压力达100万个大气压以上才变为固体,而在这样的高压下,氢成为一种金属固体导电材料,且有可能是一种室温超导体。随后,研究人员在多种材料上进行检测,并进行了最先进的量子力学计算,结果表明,声波在固体氢原子内的传输速度接近理论极限值。

剑桥大学材料科学教授克里斯·皮卡德表示:“了解声波在固体内的特性,可以让多个学科领域受益,如地震学家可以利用地球内部深处地震引发的声波来了解地震的本质以及地球的组成,而且声波与重要的弹性特性(包括抗压能力)有关,这也令材料科学家感兴趣。”(记者刘霞)

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