Быстрее некуда: физики вычислили максимальную скорость звука

Предельная скорость звука может стать ключом ко многим тайнам Вселенной.

Предельная скорость звука может стать ключом ко многим тайнам Вселенной.
Иллюстрация CC0 Public Domain.

Зависимость скорости звука в твёрдом веществе от массы атома. Красным обозначен теоретический предел скорости звука. Перевод Вести.Ru.

Зависимость скорости звука в твёрдом веществе от массы атома. Красным обозначен теоретический предел скорости звука. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация K. Trachenko et al./Science Advances (2020).

Предельная скорость звука может стать ключом ко многим тайнам Вселенной.
Зависимость скорости звука в твёрдом веществе от массы атома. Красным обозначен теоретический предел скорости звука. Перевод Вести.Ru.

Учёные из России, Великобритании и Японии определили предельную скорость звука в каком бы то ни было веществе. Оказалось, что она зависит от тех же фундаментальных свойств Вселенной, что и само существование жизни.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в престижном журнале Science Advances исследователями из Института физики высоких давлений РАН, Кембриджского университета, Лондонского университета королевы Марии и Университета Тохоку.

Чтобы не мучить читателя, сразу назовём цифру: 36 километров в секунду. Это примерно вдвое больше скорости звука в одном из самых твёрдых веществ – алмазе. Напомним, что звук быстрее всего распространяется именно в твёрдых телах. А уж скорость звука в воздухе (0,3 километра в секунду) и вовсе не идёт ни в какое сравнение.

Физики вывели изящную формулу, определяющую этот предел: Vmax = cα(me/(2mp))1/2. Здесь c – это скорость света (это максимальная скорость распространения какого бы то ни было сигнала, и она составляет 300 тысяч километров в секунду). Буквой α обозначена ещё одна важнейшая физическая константа – постоянная тонкой структуры. А me и mp – массы электрона и протона, соответственно.

От этих констант в буквальном смысле зависит существование Вселенной, какой мы её знаем. Будь они хоть немного другими, не смогли бы образоваться атомы, а вместе с ними и мы сами. Оказалось, что столь солидные постоянные играют и ещё одну роль: определяют максимальную скорость звука.

Но как проверить этот результат? Ведь физики не могут перебрать все теоретически возможные материалы (которых бесконечно много), в каждом из них рассчитать скорость звука и убедиться, что она не превышает максимальной.

Однако из построенной авторами теории есть и другие следствия, кроме приведённой выше формулы. Например, она утверждает, что быстрее всего звук распространяется в твёрдых телах с самыми лёгкими атомами. Обратившись к справочным данным о скорости звука в разных веществах, исследователи обнаружили, что так и есть.

Зависимость скорости звука в твёрдом веществе от массы атома. Красным обозначен теоретический предел скорости звука. Перевод Вести.Ru.

На иллюстрации приведены данные для следующих элементов: Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ge, Y, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Th, U.

Учёные сделали и следующий шаг. Самый лёгкий во Вселенной атом – это атом водорода. Значит, в твёрдом водороде звук должен распространяться быстрее, чем в любом материале, с которым человечеству приходилось иметь дело.

Однако в нормальных условиях водород – это газ. Твёрдым он становится при давлениях более миллиона атмосфер, которые существуют разве что в недрах планет-гигантов. Создать такие условия в лабораторной установке – задача на пределе возможного. Отдельные научные группы рапортовали, что им, возможно, удалось на короткое время получить твёрдый водород, но эти результаты небесспорны.

Поэтому авторы новой статьи обошлись теоретическими расчётами. Используя только общепринятые теории, они вычислили, какой должна быть скорость звука в твёрдом водороде. Оказалось, что она действительно близка к теоретическому пределу.

Исследователи надеются, что построенная ими модель поможет проникнуть в тайны самых экзотических состояний вещества во Вселенной.

"Мы считаем, что результаты этого исследования могут иметь дальнейшее применение в науке, помогая нам найти и понять предельные значения различных свойств, таких как вязкость и теплопроводность, относящихся к высокотемпературной сверхпроводимости , кварк-глюонной плазме и даже физике чёрных дыр", – заявляет первый автор статьи Константин Траченко (Kostya Trachenko) из Лондонского университета королевы Марии.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о самом громком звуке в истории.