Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Экспедиция «9 Легенд Русского Севера»
Наука

Впервые в истории определен верхний предел скорости звука во Вселенной

National Geographic Россия
12 октября 2020
_-.jpg
Фото: pixy.org
36 километров в секунду.

Специальная теория относительности Эйнштейна дала нам предел возможной скорости во Вселенной — это скорость света в вакууме. Абсолютную максимальную скорость звука ограничить несколько сложнее, однако ученым удалось установить верхний предел на основе фундаментальных констант, универсальных параметров, с помощью которых мы понимаем физику Вселенной.

Ограничение скорости звука, согласно новым расчетам, составляет 36 километров в секунду. Это примерно в два раза больше скорости звука, проходящего через алмаз.

И звук, и свет распространяются как волны, но ведут себя по-разному. Видимый свет — это форма электромагнитного излучения, названная так потому, что световые волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей. Эти поля генерируют самовоспроизводящуюся электромагнитную волну, которая может распространяться в вакууме, а ее максимальная скорость составляет около 300 000 километров в секунду. Путешествие через среду, такую ​​как вода или атмосфера, замедляет ее.

Звук — это механическая волна, вызванная вибрацией в среде. Когда волна проходит через среду, молекулы этой среды сталкиваются друг с другом, передавая энергию по мере движения. Следовательно, чем жестче среда и чем труднее ее сжать, тем быстрее распространяется звук. Например, вода имеет более плотно упакованные частицы, чем воздух, и отчасти поэтому киты могут общаться на таких огромных расстояниях в океане.

В твердом теле, таком как алмаз, звук может распространяться еще быстрее. Мы используем это свойство для изучения внутренней части Земли, когда через нее проходят звуковые волны землетрясений.

«Звуковые волны в твердых телах уже имеют огромное значение во многих областях науки. Например, сейсмологи используют звуковые волны, вызванные землетрясениями, чтобы понять природу и внутреннее строение Земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам», — Крис Пикард, материаловед из Кембриджского университета в Великобритании.

Проблема с ограничением возможной скорости звука состояла в том, что нельзя учесть все возможные материалы во Вселенной, чтобы определить абсолютный верхний предел этой скорости. 

Вот где на помощь ученым пришли фундаментальные константы. Группа исследователей из Лондонского университета королевы Марии, Кембриджского университета в Великобритании и Института физики высоких давлений в России обнаружила, что ограничение скорости зависит от двух фундаментальных констант.

Это постоянная тонкой структуры, которая характеризует силу электромагнитных взаимодействий между элементарными заряженными частицами; и отношение масс протона к массе электрона, которое представляет собой массу покоя протона, деленную на массу покоя электрона.

Известно, что эти два числа играют ключевую роль во многих процессах Вселенной: от их значения зависит ход таких реакций, как распад протона и ядерный синтез в звездах, а баланс между этими двумя величинами задает узкий коридор «обитаемой зоны», где могут образовываться планеты и возникать поддерживающие жизнь молекулярные структуры.

«Мы показываем, что простая комбинация постоянной тонкой структуры и отношения масс протона к электрону приводит к другой безразмерной величине, которая имеет неожиданное и специфическое значение для ключевого свойства конденсированных фаз — скорости, с которой волны распространяются в твердых телах и жидкости или скорости звука», — пишут авторы исследования в своей работе. 

Чтобы подтвердить свое уравнение, команда экспериментально измерила скорость звука в большом количестве элементарных твердых тел и жидкостей и выдала результаты, соответствующие их предсказаниям.

Одно конкретное предсказание теории команды состоит в том, что скорость звука должна уменьшаться с массой атома. Согласно этому прогнозу, звук должен быстрее всего распространяться через твердый атомарный водород, который может существовать только при чрезвычайно высоких давлениях, примерно в 1 миллион раз превышающих атмосферное давление Земли на уровне моря (100 гигапаскалей).

Получить образец для экспериментальной проверки этого предсказания было бы чрезвычайно сложно, поэтому команда полагалась на расчеты, основанные на свойствах твердого атомарного водорода между 250 и 1000 гигапаскалей. И они обнаружили, что результаты снова совпадают с их прогнозами.

Соавтор исследования Константин Траченко из Лондонского университета королевы Марии отмечает, что результаты этой работы могут оказаться ценным инструментом не только для понимания отдельных материалов, но и всей Вселенной.

«Эти результаты помогут нам найти и понять пределы различных свойств, таких как вязкость и теплопроводность, используемых в теоретических расчетах, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью, кварк-глюонной плазмой и даже физикой черных дыр», — заключает Траченко.

Узнайте, как исследователи узнали, что атмосфера одной из самых горячих экзопланет в галактике оказалась заполненной металлами.

рекомендации
Информация

Как строили самое высокое здание в Центральной Азии

Восклицательный знак

На что способны HONOR Watch GS Pro: узнайте в спецпроекте «Время движения»!

Корзина, продукты, товары, супермаркет

Тест: как не попасть на крючок гринвошинга