Фундаментальные константы устанавливают новый предел скорости звука | Журнал "Вольт"
Сб. Окт 24th, 2020


У звука есть ограничение скорости. Физики предполагают, что при нормальных обстоятельствах его волны могут распространяться не быстрее 36 километров в секунду. Достижения науки.

Звук распространяется с разной скоростью в разных материалах – например, в воде он движется быстрее, чем в воздухе. Но в естественных условиях на Земле ни один материал не может принимать звуковые волны, превышающие этот предел, который примерно в 100 раз превышает типичное семя звука, распространяющегося в воздухе.

Рассуждения команды основаны на хорошо известных уравнениях физики и математических связях. «Учитывая простоту аргумента, можно предположить, что [the researchers] «тянут пальцем к чему-то очень глубокому», – говорит физик-физик конденсированных сред Камран Бехниа из Высшей школы физики и химии в Париже.

Уравнение ограничения скорости опирается на фундаментальные константы, особые числа, управляющие космосом. Одно такое число, скорость света, устанавливает предел скорости Вселенной – ничто не может двигаться быстрее. Другой, известный как постоянная тонкой структуры, определяет силу, с которой электрически заряженные частицы толкают и притягивают друг друга. В сочетании в правильном расположении с другой константой – отношением масс протона и электрона – эти числа дают предел скорости звука.

Звуковые волны, состоящие из колебаний атомов или молекул, проходят через материал, когда одна частица сталкивается с другой. Скорость волны зависит от различных факторов, в том числе от типов химических связей, удерживающих материал вместе, и от того, насколько массивны его атомы.

Физик конденсированных сред Костя Траченко и его коллеги обнаружили, что ни одна из скоростей звука, измеренных ранее в различных жидкостях и твердых телах, не превышает предложенный предел. Самая высокая скорость, измеренная алмазом, составила лишь половину теоретического максимума.

Предел применяется только к твердым телам и жидкостям при давлениях, типичных для Земли. При давлении, в миллионы раз превышающем давление в атмосфере Земли, звуковые волны движутся быстрее и могут превзойти предел.

Один материал, который, как ожидается, может похвастаться высокой скоростью звука, существует только при таких высоких давлениях: водород, сжатый достаточно сильно, чтобы превратиться в твердый металл (SN: 28.06.19). Этот металл никогда не был создан убедительно, поэтому исследователи рассчитали ожидаемую скорость вместо того, чтобы использовать измерения. Расчеты показывают, что если давление превышает атмосферное давление Земли примерно в 6 миллионов раз, предел скорости звука будет нарушен.

Роль фундаментальных констант в максимальной скорости звука определяется тем, как волны движутся сквозь материалы. Звук распространяется благодаря электромагнитным взаимодействиям электронов соседних атомов, и именно здесь в игру вступает постоянная тонкой структуры. И соотношение масс протона и электрона важно, потому что, хотя электроны взаимодействуют, ядра атомов в результате движутся.

Константа тонкой структуры и отношение масс протона к электрону являются безразмерными константами, что означает, что к ним не привязаны единицы (поэтому их значение не зависит от какой-либо конкретной системы единиц). Такие безразмерные константы очаровывают физиков, потому что значения имеют решающее значение для существования Вселенной, какой мы ее знаем (SN: 02.11.16). Например, если бы постоянная тонкой структуры была значительно изменена, звезды, планеты и жизнь не могли бы образоваться. Но никто не может объяснить, почему эти важнейшие числа имеют такие значения.

«Когда у меня бессонные ночи, я иногда думаю об этом», – говорит Траченко из Лондонского университета королевы Марии. Поэтому он и его коллеги расширяют эту загадку из космической области до более общих понятий, таких как скорость звука. Траченко и соавтор Вадим Вениаминович Бражкин из Института физики высоких давлений в Троицке, Россия, также сообщили о минимально возможной вязкости жидкостей в 24 апреля. Успехи науки.

Этот предел вязкости зависит от постоянной Планка, числа, лежащего в основе квантовой механики, математики, которая управляет физикой в ​​очень малых масштабах. Если бы постоянная Планка была в 100 раз больше, говорит Траченко, «вода была бы похожа на мед, и это, вероятно, было бы концом жизни, потому что процессы в клетках не протекали бы так эффективно».



Source link

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *