文丨學術頭條，編審丨王新凱
波，如聲波或光波，是將能量從一個地方移動到另一個地方的干擾現象。聲波可以通過不同的介質，如空氣或水，並以不同的速度傳播。也就是説，聲音的傳播速度，取決於它們通過的介質是什麼。
從中學物理課上我們就知道，聲音在空氣中的傳播速度大約是 340 米 / 秒，而聲音在固體中的傳播則更快，比如在地球上已知的最堅硬的物質金剛石（鑽石）中，聲音的傳播速度能夠達到 18 千米 / 秒。
但是，一直以來科學家們並不知道，聲波在固體或液體傳播時，是否像光速一樣也存在速度上限。
近日，倫敦瑪麗皇后大學、劍橋大學和俄羅斯特洛伊茨克高壓物理研究所的科學家們，發現了宇宙中聲音可能的最快傳播速度，即大約 36 千米 / 秒，相當於聲音在金剛石中速度的兩倍，空氣中速度的 105 倍，約真空中光速的 8000 分之一。
波的速度極限
自從阿爾伯特・愛因斯坦 1905 年提出狹義相對論以來，任何一種波 —— 無論是電磁波（包括可見光）還是引力波 —— 在真空中傳播的絕對速度極限就已經為人所知，大約等於 30 萬千米 / 秒。
但聲波又與光波有所不同，它是一種通過使相鄰粒子相互作用而傳播的波。所以聲波的傳播速度，取決於通過材料的密度以及內部原子的結合方式。
也就是説，一個物質的原子撐死了只能移動這麼快，那麼聲音的速度，也就受到了這種物質原子移動速度的限制。
通常來説，聲音在固體中的傳播速度比液體快，而液體中的傳播速度又比氣體快。例如，聲音在鋼鐵中傳播的速度要比在水或空氣中快得多，這就是為什麼我們耳朵貼近鐵軌，能更快聽到火車靠近的聲音。
為了尋找聲波的理論最大傳播速度，倫敦瑪麗皇后大學的 Kostya Trachenko 和他的同事們從兩個眾所周知的物理常數開始：質子質量與電子質量的比值，以及表示帶電粒子間相互作用強度的精細結構常數（物理學中一個重要的無量綱數，表示電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空中光速的比值）。
這兩個數字在我們理解宇宙中起着重要的作用。它們巧妙且精確地控制着恆星中的質子衰變和核聚變等核反應。並且，這兩個數字之間的平衡，提供了一個狹窄的 “宜居地帶”，在這裏，恆星和行星可以形成，支持生命的分子結構可以出現。
Trachenko 表示，我們對這些宇宙常熟已經有非常深入的瞭解，因為如果它們發生哪怕一點點的變化，宇宙就會完全不像現在這樣。
“如果你把這些常數改變幾個百分點，那麼質子可能就不再穩定了，你甚至可能無法在恆星中進行合成重元素的過程，所以就不會有碳和生命了。”
而有趣的是，新的發現表明，這兩個基本常數也可以通過限制特定的材料屬性，如聲速。
最大速度是如何計算出來的?
研究人員根據他們的理論預測，聲波的傳播速度，應該隨着介質原子質量的增加而減小。
這一預測意味着，理論上存在於巨行星中心的固體金屬氫，應該有最高的聲速。然而，固態氫需要在 100 萬倍大氣壓以上的條件下才能存在，這樣的壓力條件，堪比木星這樣的氣態巨星核心，在地球上根本不可能存在。
在這樣的壓力下，氫變成了一種迷人的金屬固體，像銅一樣導電，並且被預測為室温超導體。因此，研究人員通過最先進的量子力學計算來測試這一預測，並發現固體氫原子中的聲速接近理論的基本極限，即 36100 米 / 秒。
Trachenko 表示，“人們普遍認為，鑽石的聲速最高，因為它是最硬的材料，但我們之前並不知道聲音在理論上是否存在基本極限。”
研究人員還查看了 133 種材料的實驗數據，發現沒有一種材料突破 36 千米 / 秒的理論極限。
劍橋大學材料科學教授 Chris Pickard 説：“固體中的聲波在許多科學領域已經非常重要。例如，地震學家利用地球內部深處地震引發的聲波來了解地震事件的性質和地球成分的性質。材料科學家對聲波也很感興趣，因為聲波與重要的彈性特性有關，包括抗壓能力。”
研究人員也在論文中表示，“我們通過大量的實驗數據和氫原子的第一性原理計算（基於量子力學原理的計算），來支持這個結果。我們的結果擴展了目前對基本常數如何對重要物理性質施加新的限制的理解。”
然而，沒有參與該項研究的英國愛丁堡大學的格雷姆・阿克蘭 (Graeme Ackland) 表示，目前還不清楚計算結果是否就是速度上限。
“你可以用這些基本常數來得到一些以速度為單位的東西，但是我不知道為什麼它是一個界限。我並不完全信服。還需要做更多的工作來確定聲音是如何通過重元素傳播的。”
無論如何，現代科學尤其是物理學的進步，就是在不斷推翻、擴展和完善前人結論的認識，從而提高人類對自然、對宇宙奧秘的瞭解。我們也期待未來物理學能夠更大的新發現。
參考資料：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
https://www.qmul.ac.uk/media/news/2020/se/scientists-find-upper-limit-for-the-speed-of-sound.html
https://www.newscientist.com/article/2256743-physicists-have-discovered-the-ultimate-speed-limit-of-sound/