爱因斯坦的狭义相对论认为,真空中的光速是宇宙的速度极限。这引起了许多人的兴趣,他们都是想要打破这个速度极限的人。于是我们经常可以看到类似这样的一个问题:如果钟表的秒针有一光年那么长,那么当它转动时,末端会不会超光速?就算我们不考虑钟表能不能带动这么长的秒针,末端超光速也是不可能的,因为力在秒针的传播速度是并不是无限的。

人类极限速度几倍音速(科学家发现声速的极限)(1)

事实上,力的传播速度就是声音在此介质中的传播速度。10月9日,一篇发表在《科学进展》杂志上的研究显示,宇宙中声速的极限为每秒36公里,远远低于光速每秒30万公里。如果那根秒针上力的传播速度按极限速度计算,那么根本就不会有超光速的情况发生,爱因斯坦的理论也不会被打破。那么这个声速的极限是怎么来的呢?

我们知道,声音其实是一种振动。而我们的耳朵能听到声音,那是因为由原子或分子构成的介质传播振动能量所引起的。振动把附近的分子挤在一起,对它们进行压缩。然后这些受压缩的分子又对邻近的分子进行压缩,这就把振动的能量传递了出去。而压缩波从声源向外传播的速度,就是声音在此介质中的声速。

人类极限速度几倍音速(科学家发现声速的极限)(2)

在空气中,声速取决于分子的固有速度。当介质中的分子受到压缩时,固有速度快的分子很快就会把能量传递给邻近分子,因此压缩波就会很快向外传播,声速就很高。巧的是,温度是分子平均动能的一种体现,也就是说温度越高,分子运动速度越快。正是这个原因,声音在温度高的空气中的传播速度比在温度低的空气中快。

人类极限速度几倍音速(科学家发现声速的极限)(3)

事实上,声音传播的速度跟密度也有关系,在这里密度是衡量分子间隔的重要指标。我们知道液体的密度比气体大得多,相比于气体,液体分子排列更是紧密。当液体分子受到压缩后,较小的分子间隔能更快的把压缩波传递出去,因此它的声速会更快。同样的道理,固体中的声速也比液体要来得快。例如,声速在水中每小时5200公里,而在钢中约每小时18000公里。

如果是固体跟固体之间的对比,密度不是声速的根本原因。在固体中,原子和分子被固定在各自的位置上。它在这个位置上越稳固,就说明它受到挤压时能更快回弹,因此声音的传播速度会更快。也就是说,物体越硬,它的传播速度越快。目前,自然界最硬的矿物金刚石,它的声速大约为每秒18公里。

人类极限速度几倍音速(科学家发现声速的极限)(4)

自然而然,我们就想到了声音会不会有极限速度。科学家表示,声音的极限速度与精细结构常数和质子电子的质量比有关。众所周知,这两个数字在宇宙中起着重要的作用,如果它们的数值改变了,可能宇宙就不会有恒星、行星甚至是生命的存在了。这两个基本常数的组合也会影响材料的特性,例如声速。

这组科学家对各种材料进行实验,发现声速符合它们的理论,并且它们还发现声速随原子质量而降低。因此,他们认为,声音的极限存在于固体原子氢中。但是,固体原子氢只存在于压力非常高的情况下,大概是地球海平面压力的100倍。随后,他们进行了模拟的量子计算,发现了声音的极限速度大约为每秒36公里。

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