聲波或光波有速度極限嗎？
愛因斯坦的狹義相對論定義了波傳播的絕對速度極限，那就是光速，它大約等于3×10?米/秒，沒有任何東西能比光速更快。然而，對于聲波來說，我們其實并不知道它在通過固體或液體時是否也存在一個速度上限。
最近，一個物理學(xué)家團隊通過兩個基本常數(shù)預(yù)測出，在正常情況下，聲波的傳播速度不能超過36千米/秒。這個極限大約是聲波在空氣中的傳播速度（~340米/秒）的106倍左右，它意味著在地球上自然存在的條件下，任何物質(zhì)都不能承載超過這個極限的聲波。研究結(jié)果被發(fā)表在了最近的《科學(xué)進展》雜志上。
這兩個基本常數(shù)是精細結(jié)構(gòu)常數(shù)（α）和質(zhì)子-電子質(zhì)量比（ mp/me）。這是兩個無量綱常數(shù)，沒有單位的無量綱常數(shù)的數(shù)值不依賴于任何單位的選擇。這樣的常數(shù)常常令物理學(xué)家著迷，它們的數(shù)值對于我們所知的宇宙的存在至關(guān)重要。它們的數(shù)值仿佛被“精細調(diào)節(jié)”過。然而，沒人能解釋為什么這些重要的數(shù)字具有這樣的值。
可以說，這兩個基本常數(shù)控制了恒星中的質(zhì)子衰變和核合成等過程，這二者的平衡提供了一個狹窄的“宜居帶”，在這里，恒星和行星可以形成，支持生命的分子結(jié)構(gòu)能得以出現(xiàn)。
而新的研究發(fā)現(xiàn)，這兩個數(shù)字不僅對于我們理解宇宙有著重要意義，它們還可以影響到一些離我們的生活更加貼近的其他科學(xué)領(lǐng)域，比如材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)，擴展到一些更加普通的概念上，比如聲速。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這兩個常數(shù)以正確的方式組合在一起時，就能從中推算出聲速的極限。
聲音的速度上限可以由兩個無量綱常數(shù)（精細結(jié)構(gòu)常數(shù)、質(zhì)子-電子質(zhì)量比）給出。
聲波是由原子或分子的振動構(gòu)成的，當(dāng)聲波通過物質(zhì)時，一個粒子與另一個粒子碰撞。在不同的物質(zhì)中，聲音會以不同的速度傳播，比如它們在固體中傳播的速度要比在液體或氣體中快得多。聲音的速度取決于很多因素，比如將物質(zhì)結(jié)合在一起的化學(xué)鍵類型，以及原子的質(zhì)量。
在聲音的最大速度計算中，基本常數(shù)的作用是由聲波穿過物質(zhì)的方式?jīng)Q定的。聲音的傳播依賴于相鄰原子的電子的電磁相互作用，這也正是精細結(jié)構(gòu)常數(shù)發(fā)揮作用的地方；而質(zhì)子-電子的質(zhì)量比之所以重要，是因為盡管電子在相互作用，但原子核會因此而移動。
研究人員推算出的極限數(shù)值約等于36100米/秒，這個極限適用于在地球常見壓力下的固體和液體。他們在許多材料上測試了這一理論預(yù)測，發(fā)現(xiàn)過去在任何液體和固體中所測量的聲速，都沒有超過這一提出的理論極限。在此之前，聲速的最大值是在鉆石中測得的，它只有這一理論預(yù)測的一半左右。
那么這一極限完全沒有可能被突破嗎？這一點與他們理論中的一個具體預(yù)測有關(guān)，即聲速應(yīng)該隨著原子質(zhì)量的增加而減小，這一預(yù)測意味著，聲音在固體氫原子中的速度應(yīng)該最快。這一點得到了他們所進行的各項測試的檢驗，但是對于“固態(tài)氫”中的聲速，卻只能通過計算而無法直接展開測量。
當(dāng)對氫施加百萬倍于大氣壓的壓力時，氫會被壓縮成固體，在這樣的情況下，有理論認為，氫會成為能導(dǎo)電的金屬氫，并且有可能具有室溫超導(dǎo)性。今年年初，一個法國物理學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)了迄今為止能證明金屬氫存在的最有力證據(jù)，但至今為止，這種金屬至并沒有被完全地令人信服地制造出來，因此在新的研究中，物理學(xué)家只能對金屬氫中的聲速進行計算，而無法展開任何測量。
研究人員進行了量子力學(xué)計算，計算結(jié)果表明，固體氫原子中的聲速接近理論的基本極限，當(dāng)壓力超過地球大氣壓力的600萬倍時，聲速極限將被打破。這意味著，在極高的壓強下，聲波的傳播速度或許可以突破這個極限。
參考來源：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-10/qmuo-sfu100720.php
https://www.sciencenews.org/article/sound-new-speed-limit-physics-fundamental-constants-earth
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