光速的上限是每秒 30 萬公里,那音速的上限是多少?

眾所皆知,光速是宇宙中最快的速度,在真空中,光速能達到每秒約 30 萬公里的上限。那麼音速的上限是多少?

瑪麗王后學院(Queen Mary University of London)、劍橋大學(the University of Cambridge)與 Troitsk 高壓物理研究所合作,找到了音速的可能上限值。研究團隊將論文發表在《Science Advances》期刊上。

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藉由兩個常數,科學家算出音速上限

愛因斯坦提出狹義相對論後,人類就知道光速的上限值,然而直到今日,科學界仍然不知道音速的上限。與光一樣,聲音的傳播速度也會隨著介質改變。聲音在固體中的傳播速度大於在液體與氣體的速度,問題是,哪一種固體能讓音速達到最大值?

根據論文,聲音的速度上限由兩個常數決定:精細結構常數(Fine-structure constant)、質子 – 電子質量比(the proton-to-electron mass ratio)。研究團隊據此算出音速的上限值:每秒 36 公里。這個速度是聲音在鑽石傳播時的兩倍。

此外,根據理論,當介質的原子質量增加,聲音傳播的速度就會下降,因此聲音在固態氫的傳播速度是最快的。藉由量子力學理論,研究團隊計算聲音在固態氫的傳播速度,發現這個速度很接近理論的速度上限。

固態氫可能存在於木星的核心

精細結構常數、質子 – 電子質量比對粒子物理、宇宙學至關重要,讓科學家了解元素衰變、恆星核反應等性質。然而,這項研究發現,這兩個常數對其它的物理領域也很重要,例如材料科學與凝態物理,它們決定了材料的特性,例如聲音在材料中傳播的速度。

參與實驗的劍橋大學教授 Chris Pickard 表示,音速對科學很重要,例如地震學家會使用地震產生的聲波了解地球構造;材料學者也會透過聲音了解材料對抗應力的能力。這個實驗有助於學界更了解聲音的性質。

此外,固態氫是可能存在於宇宙中的。在超過 1 百萬大氣壓的壓力下,氫氣會形成類似金屬的固體,而木星的核就具備這樣的壓力條件。這項研究或許能提供宇宙學家新洞見,讓人類了解更多宇宙的奧秘。

參考資料

Science Advances》、《Science Daily》、《Science Alert

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Pixabay CC Licensed

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