正如爱因斯坦的相对论告诉我们的那样,在这个宇宙中,没有什么能比光传播得更快 。
这个说法我们都太熟悉了,以至于在说的时候往往忽略了一个前提:真理空 。在不同的介质中,光速是不同的 。只有在没有介质的真空中,光才能达到这个极限 。如果是在水中,光速就达不到这么快,甚至无法在不透明的固体中传播 。
除了光速,我们还经常提到声速 。与光速相反,声音一般在固体中传播较快,其次是液体,在空气体中传播较慢,没有介质就无法在真空中传播 。
两者本质上都是波,但性质完全相反,因为属于不同的波:光属于电磁波,声音属于机械波 。机械波必须附着在介质上才能传播,而电磁波不喜欢介质阻碍其前进 。我们可以大致理解为,随着介质刚性的增加,电磁波更难传播,而机械波更容易传播 。
真空是电磁波速度的极端环境,因为我们可以说空的刚性是0,不能再小了 。声速不一样 。我们可以知道它的速度下限,在true 空中是0 。我们还知道它在空气体(15℃)中的传播速度一般是每秒340米 。我们通常指的是地表大气中的声速,比如所谓的超音速,但在本文中并不特指某个环境 。所以问题来了:音速有上限吗?
超音速飞机的音爆现象
由于声速在不同介质中的传播速度不同,理论上我们必须测试所有介质中的声速,然后选择最快的一种 。显然,这是不可能的,因为我们不知道宇宙中有多少种物质,有多少种状态 。因此,长期以来,声速极限一直是困扰科学家的难题 。
我们已经知道声音在某些固体中的速度,例如,在20℃的铁中,速度大约是每秒5130米;在花岗岩中,声速可以达到每秒6000米;在钻石中,声音可以获得极快的速度,大约每秒18000米 。
这些数据对科学家来说非常重要,甚至成为其他讨论的参考 。在地震期间,我们也可以利用这些数据来研究地球的内部结构 。或者超越Tai 空,可以赞助我们研究其他星球 。但是,如果有些物质不在地球上,怎么才能求出声速在其中呢?
虽然我们不能一一测试所有的材料,但是一些物理结果和基本面数据,还有红豆博客,可以赞助我们从理论上计算音速的上限 。来自伦敦玛丽女王大学、英国剑桥大学和俄罗斯高压物理研究所的科学家团队发明,音速实际上取决于两个基本常数,一个是精细结构常数,另一个是质子与电子的质量比 。
精美建筑常数的由来一言难尽 。简单解释一下红豆博客 。它是一个无穷大的数,也就是说它没有物理单位,或者说物理单位是1 。精致常数=e2/(40c),其中E是电子的电荷,0是真空介电常数,约化普朗克常数,c
是光速在真空中的速度 。最终计算结果≈137 。质子和电子的质量比很好理解,除以两者的静态质量就可以了 。
【光速最快可以达到每秒30万公里 光速能达到多少】
科学团队在论文中指出:“微妙的结构常数和质子电子质量比的神秘数值,以及它们之间的平衡,决定了恒星中质子衰变和核合成等核反应,最终促成了包括碳在内的基本化学元素的出现 。这种平衡提供了宇宙中的‘宜居尺度空,允许恒星和行星的形成,也允许支持生命的分子结构出现 。我们的研究表明,微妙的结构常数和质子电子质量比可以简单地组合成另一个无量纲的物理量,而这个量对于另一个主要属性,即波在固体和液体中的传播速度,或者说声速,有着意想不到的特殊意义 。”
说了这么多,团队最后是怎么拿到音速极限的?
事实上,他们最终得到了一个声速方程 。推导过程比较复杂,就不赘述了 。最后声速极限等于精细结构常数乘以1/2质子电子质量比的平方再乘以光速 。数学表达式是:
最终的计算结果是,音速的极限约为每秒36公里,几乎是钻石中音速的两倍 。
为了证明他们的方程的准确性,研究小组测试了大量的固体和液体,结果表明声速符合这个方程 。
他们还验证了另一种 :研究团队认为声速会随着原子质量的增加而降低,因此其极限速度不会超过在最小质量原子——氢原子中的传播速度 。当然,为了传播得更快,他们有必要测试固态氢,这是他们生活中不可能看到的 。这就要求它的压力超过地表大气压100万倍,也就是1,000 MPa的压力,并且能够将通常为气态的氢气压缩成固态 。
团队并没有直接使用固态氢进行测试,而是根据固态氢在250到1000 MPa下的性质进行了相关计算 。结果表明,他们的方程仍然有效 。
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