Міжнародна група, в яку входили вчені з університету королеви Марії, Лондон, Кембриджського університету і Інституту фізики високих тисків, Троїцьк, Росія, провела ряд досліджень, результатом яких стало отримане значення верхнього (максимального) межі швидкості поширення звукових хвиль. Це значення виявилося одно 36 кілометрів на секунду, в два рази більше, ніж швидкість поширення звуку в алмазі, самого твердого з усіх відомих матеріалів на сьогоднішній день.
Хвилі, такі, як звукові і електромагнітні, є коливаннями, які переміщують укладену в них енергію з одного місця в інше. Звукові хвилі можуть поширюватися в різних середовищах, в повітрі, у воді і в твердих тілах, і в кожній з таких середовищ швидкість поширення звуку має своє значення. Наприклад, чим більша щільність середовища, тим швидше в неї поширюється звук, це пояснює, чому можна дізнатися про наближення поїзда набагато раніше, притуливши вухо до рейки залізничної колії.
Теорія спеціальної відносності Альберта Ейнштейна встановлює абсолютний максимальна межа обмеження будь-якій швидкості, що дорівнює швидкості світла у вакуумі і становить близько 300 тисяч кілометрів на секунду. Однак, до останнього часу нікому не було відомо, чи існує якийсь свій верхня межа для швидкості поширення звукових хвиль.
Проведені згаданими вище вченими попередні дослідження показали, що верхня межа швидкості звуку може залежати від значення двох безрозмірних фундаментальних констант: постійної тонкої структури (fine structure constant) і співвідношення маси протона до маси електрона.
Ці два значення, як уже добре відомо, грають дуже велику роль в справі розуміння нами природи, будови і “функціонування” Всесвіту. Їх точно виміряні значення визначають хід ядерних реакцій, таких, як розпад протонів і процеси термоядерного синтезу, що протікають в надрах зірок. Баланс між цими двома константами визначає вузьку смугу “придатною для життя зони”, в якій на поверхні планет можуть почати формуватися молекулярні структури, які є першими “проблисками” майбутнього життя.
Однак, результати нових досліджень вказують на те, що дві фундаментальні константи також можуть впливати і на інші явища і процеси, що мають відношення до матеріалознавства, фізики конденсованої матерії, де їх значення встановлюють деякі межі для певних властивостей матеріалу, включаючи і швидкість звуку в цих матеріалах .
Вчені зробили перевірку їх теорії щодо швидкості звуку на дуже широкому ряді різних матеріалів, що дозволило підтвердити припущення, що зі збільшенням маси атома швидкість звуку в середовищі цієї речовини буде зменшуватися. Це, в свою чергу, має на увазі, що найбільша швидкість звуку буде в середовищі твердого атомарного водню. Однак, така форма водню виходить тільки при дуже високому тиску, вище 1 мільйона атмосфер, що можна порівняти з тиском в ядрі газових гігантських планет, таких, як Юпітер. При таких тисках водень переходить в тверду металеву форму, він має електричну провідність і, згідно з деякими теоріями, є надпровідників, критична точка якого знаходиться в діапазоні кімнатних температур.
Для розрахунків вчені використовували створену ними квантово-механічну модель металевої атомарної форми водню. Обчислення, проведені за допомогою цієї моделі, дали вченим значення швидкості звуку, дуже близьке до фундаментального межі, отриманого теоретичним шляхом.
“Поширення звукових хвиль в твердих матеріалах має дуже важливе значення для багатьох наукових областей. Наприклад, сейсмологи використовують звукові хвилі для вивчення природи сейсмічних явищ і вивчення будови земних надр” – розповідає Кріс Пікард (Chris Pickard), професор матеріалознавства з Кембриджського університету, – “Звукові хвилі представляють великий інтерес і для матеріалознавців, так як їх поширення пов’язане з пружними властивостями матеріалів і реакцією цих матеріалів на фізичне напруження і деформацію”. Джерело