حداکثر سرعت صوت در جامدات و مایعات چقدر است؟
حداکثر سرعت صوت در جامدات و مایعات چقدر است؟
مجله علمی ایلیاد - تیمی بینالمللی از فیزیکدانان توانستهاند با استفاده از ثابتهای پایهای بیبُعد، بیشترین سرعت ممکن صوت در جامدات و مایعات را محاسبه کنند.
موجهایی مانند موجهای صوتی و نوری در واقع انرژی را از یک مکان به مکانی دیگر منتقل میکنند. امواج صوتی امکان حرکت در محیطهای مختلفی مانند هوا و آب را دارند، ولی سرعت حرکت آنها در محیطهای مختلف فرق میکند. سرعت این امواج در محیطهای جامد خیلی بیشتر از محیطهای مایع و گاز است. به همین خاطر است که صدای رسیدن قطار را با گذاشتن گوش بر روی ریل زودتر میتوان شنید.
تئوری نسبیت خاص اینشتین این موضوع را مطرح میکند که سرعت امواج یک حد بیشینه دارد که این بیشینه همان سرعت نور است که برابر با ۳۰۰،۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه است. با این حال تا کنون دانشمندان نمیدانستند که امواج صوتی نیز بیشینهی سرعت حرکت درون فازهای جامد و مایع دارند یا خیر؟
پروفسور «کریس پیکارد» از دانشگاه کمبریج، میگوید: «سرعت امواج صوتی درون جامدات از اهمیت بالایی برخوردار است. بهعنوان مثال، زمینشناسان با گوش دادن به صداهایی که قبل از زلزله شنیده میشود، میتوانند اطلاعات خوبی از وضعیت ساختاری زمین و همچنین ماهیت رویدادهای زمینشناسی کسب کنند. سرعت امواج صوتی درون جامدات برای دانشمندان علم مواد نیز از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا امواج صوتی ارتباط نزدیکی با خصوصیات الاستیک مواد دارند.»
پروفسور پیکارد و همکارانش طی یک تحقیق جدید دریافتند که پیشبینی بیشینهی سرعت امواج صوتی به دو ثابت بیبُعد پایهای مرتبط است؛ «ثابت ساختار ریز» و «ثابت نسبت جرمی پروتون به الکترون».
محققین پیشبینیهای تئوریک خود را بر روی مواد مختلفی آزمایش کردند و دریافتند که سرعت صوت با جرم اتمهای ماده نسبت عکس دارد. بنابراین دریافتند که بیشترین سرعت صوت، زمانی است که درون هیدروژن اتمی جامد حرکت کند. تولید هیدروژن جامد در فشارهای بالاتر از ۱ میلیون اتمسفر ممکن است. این فشار با فشار درون غولهای گازی مانند مشتری قابل مقایسه است. در این فشارها هیدروژن جامد حالت فلزی پیدا میکند و الکتریسیته را مانند مس منتقل میکند.
محققین با انجام محاسبات مکانیک کوانتومی توانستهاند سرعت صوت در هیدروژن اتمی را حدود ۳۶ کیلومتر بر ثانیه تخمین بزنند که به حد تئوریک آن نیز نزدیک است. آنها میگویند: «این مطالعه اهمیت ثابتهای فیزیکی پایهای را اثبات میکند.»
نتایج این مطالعه در مجلهی Science Advances منتشر شده است.