Согласно расчетам физиков, основанным на фундаментальных константах, верхний предел скорости звука составляет 36 км в секунду, что в 100 раз превышает скорость звука в воздухе, но намного медленнее света.
Со времен теории относительности Эйнштейна мы знаем, что верхний предел скорости света в вакууме составляет около 300 000 км в секунду. Как и свет, звук распространяется в волновой форме, поэтому можно подумать, что его максимальная скорость также является универсальной физической константой. За исключением того, что звуковые волны отличаются от световых волн, которые являются электромагнитными волнами. Звук, с другой стороны, является механической волной, вызванной вибрацией в среде.
По мере прохождения волны через среду молекулы сталкиваются друг с другом, передавая энергию в направлении распространения. Но эта передача задерживается инерцией, что означает, что волны движутся быстрее, когда частицы менее массивны. Более жесткие связи между молекулами также генерируют меньше задержки, так как каждой частице меньше нужно двигаться, чтобы вызвать движение своего соседа.
Как правило, звук медленнее в газах, быстрее в жидкостях и еще быстрее в твердых телах. В воздухе, в условиях окружающей среды, звук движется со скоростью около 340 м/с по сравнению с 1500 м/с в воде и более 5000 м/с в железе.
Выраженная математически, продольная скорость звука в материале равна квадратному корню модуля упругости этого материала (который количественно определяет его прочность на сжатие), деленному на его плотность. Кроме того, что существуют тысячи различных материалов, и это ничего не говорит нам о теоретическом ограничении скорости.
В статье Костя Траченко из Университета Королевы Мэри в Лондоне и его коллеги из Кембриджского университета и Института физики высокого давления Российской академии наук поставили задачу переписать эту формулу с точки зрения фундаментальных констант. Они связали скорость звука с двумя фундаментальными константами: константой тонкой структуры, которая задает силу фундаментальных электромагнитных взаимодействий, и соотношением масс протона и электрона, которое представляет собой остальную массу протона, деленную на остальную массу электрона.
Верхний предел звука достигается, когда масса атомов минимально возможная (атом водорода). В земных условиях этот верхний предел составляет чуть более 36 000 м/с. Это все еще почти в 10000 раз медленнее, чем верхний предел света, но примерно в два раза выше, чем самая быстрая звуковая волна из когда-либо зарегистрированных, которая находится на скорости около 18000 м / с и получается в алмазе.
Металлический водород, материал, который взрывает предел
Для проверки правильности своего уравнения исследователи сравнили прогнозы с экспериментально полученными скоростями в 36 различных элементарных твердых телах. Они построили логарифмическую кривую, чтобы показать, как скорость изменяется в зависимости от атомной массы твердых тел, и поместили прямую, порожденную их уравнением, на тот же самый график. Они обнаружили, что точки экспериментальных данных более или менее следуют линии наклона, хотя некоторые точки несколько отклоняются от линии наклона, так как уравнение опустило некоторые факторы, чтобы упростить уравнение.
Однако предел 36 000 м/с может быть превышен в металлическом водороде, который может существовать только при чрезвычайно высоком давлении, превышающем примерно в 6 миллионов раз атмосферное давление Земли на уровне моря (1013 гектопаскаля). Теоретически, тогда можно будет достичь 35 000 м/с, но так как никто еще не успел сделать этот знаменитый металлический водород, это не поддается проверке.