Grupie naukowców po raz pierwszy udało się obliczyć maksymalną prędkość dźwięku

Dzięki szczególnej teorii względności Einsteina wiemy, że prędkość światła w próżni to ostateczne ograniczenie prędkości we wszechświecie. Oczekuje się jednak, że inne fale również będą miały swoje ograniczenia.

Fale dźwiękowe

Naukowców szczególnie interesowały fale dźwiękowe. Po raz pierwszy udało się obliczyć maksymalną prędkość dźwięku przechodzącego przez gęste materiały, takie jak ciała stałe i ciecze. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

Zespół szacuje, że fale dźwiękowe mogą rozprzestrzeniać się z maksymalną prędkością 36 kilometrów na sekundę. To dwa razy więcej niż prędkość dźwięku w diamentach, ponad 100 razy więcej od prędkości dźwięku w powietrzu i 8000 raz mniej niż prędkość światła w próżni.

Maksymalna prędkość dźwięku

Fale dźwiękowe to rodzaj wibracji, które rozchodzą się przez ciała stałe, ciecze lub gazy. W ciałach stałych i płynach prędkość dźwięku jest znacznie szybsza ze względu na wyższą gęstość. Cząstki są bliżej siebie, co pozwala na szybsze rozprzestrzenianie się.

Naukowcy doszli do swoich wniosków podczas rozważania, w jaki sposób prędkość dźwięku jest obliczana na podstawie fizycznych właściwości materiału. Standardowa formuła pokazuje, że prędkość zależy od tego, jak gęsty jest dany materiał.

Zespół zorientował się, że można rozszerzyć te obliczenia, by stworzyć wyidealizowany przypadek. Naukowcy doszli do wzoru, który zależy od trzech stałych fizycznych: prędkości światła w próżni, stosunku masy elektronów do masy protonów oraz siły oddziaływań elektromagnetycznych.

Wyidealizowana formuła może przewidzieć górną granicę prędkości dźwięku – pod uwagę brana są cząstki składowe i ich wzajemne oddziaływania, a nie właściwości materiału jako całość.

Fale dźwiękowe w ciałach stałych już teraz mają ogromne znaczenie w wielu dziedzinach nauki. Na przykład sejsmolodzy używają fal dźwiękowych zainicjowanych przez trzęsienia ziemi w głębi Ziemi, aby zrozumieć naturę zjawisk sejsmicznych i właściwości składu naszej planety. Fale dźwiękowe są związane z ważnymi właściwościami elastycznymi, w tym z odpornością na naprężenia. – powiedział profesor Chris Pickard z Uniwersytetu w Cambridge

Potwierdzenie założenia

Zespół przeprowadził kilka testów na różnych materiałach, by potwierdzić swoje założenia. Okazała się, że maksymalna prędkość dźwięku w bryle zmniejszy się wraz ze wzrostem masy atomów w materiale. Hipoteza okazała się prawidłowa.

Uważamy, że wyniki tego badania mogą mieć dalsze zastosowania naukowe. Pomogą nam znaleźć i zrozumieć granice różnych właściwości, takich jak lepkość i przewodność cieplna, istotne dla nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, plazmy kwarkowo-gluonowej, a nawet fizyki czarnych dziur. – podsumował profesor Kostya Trachenko