Farkas
10 °C
16 °C
Index - In English In English Eng

Felfedezték a hang sebességének felső határát

2020.10.14. 09:55 Módosítva: 2020.10.14. 10:01
A hang kétszer olyan gyorsan terjed fémes hidrogénben, mint gyémántban. Ez van legközelebb az elméleti felső határhoz.

A londoni Queen Mary Egyetem, a Cambridge-i Egyetem és a Troitsk Magasnyomású Fizika Intézet közti kutatási együttműködése során egy csapat szakértő a lehető leggyorsabb hangsebességet fedezte fel:

Az eredmény körülbelül 36 km/másodperc.

Ez kétszer olyan gyors, mint a hanghullám gyémántban, a világ legkeményebb ismert anyagában való terjedési sebessége.

A hullámok, például a hang- vagy fényhullámok, olyan „zavarok”, melyek energiát mozgatnak egyik helyről a másikra.

A hanghullámok különböző közegekben, például levegőben vagy vízen keresztül különböző sebességgel terjedhetnek, attól függően, hogy milyen közegen haladnak át. Sokkal gyorsabban a mozognak a hanghullámok szilárd anyagokban, mint folyadékok vagy gázok halmazában. Ezért halljuk meg gyorsabban a vasúti pályán feltűnő és közeledő vonatot, ha sínre tesszük a fülünket.

Kísérleti longitudinális hullámsebesség (hangsebesség) 36 elemi szilárd atomi tömegben (atomic mass). Az atomokat a kék pöttyök jelölik, és jól látható, hogy a tömeg növekedésével csökken a sebesség (v). Az anyagok növekvő sorban a következők: Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ge, Y, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Th, és U.
Kísérleti longitudinális hullámsebesség (hangsebesség) 36 elemi szilárd atomi tömegben (atomic mass). Az atomokat a kék pöttyök jelölik, és jól látható, hogy a tömeg növekedésével csökken a sebesség (v). Az anyagok növekvő sorban a következők: Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ge, Y, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Th, és U.
Fotó: sciencemag.org

Einstein speciális relativitáselmélete meghatározza a hullám abszolút sebességhatár-értékét: ez a fénysebesség, aminek nagysága körülbelül 300 000 km/másodperc. 

Azonban eddig az nem volt ismert, hogy a hanghullámoknak is van-e felső sebességkorlátja szilárd vagy folyékony anyagokon való áthaladás során.

A Science Advances folyóiratban megjelent tanulmányban kutatók azt ismertetik, hogy a hangsebesség felső határának előrejelzése két dimenzió nélküli állandótól függ: a finomszerkezeti állandótól és a proton/elektron tömegaránytól.

Ez a két adat fontos szerepet játszik az univerzum megértésében. Finoman hangolt értékeik szabályozzák a nukleáris reakciókat, például a protonok bomlását és a csillagok nukleáris folyamatait, a két szám egyensúlya szűk „lakható zónát” biztosít, ahol csillagok és bolygók képződhetnek-működhetnek, valamint az életfolyamatokhoz szükséges molekulaszerkezetek is létrejöhetnek. Az új eredmények azonban azt sugallják, hogy ez a két báziskonstans más tudományos területeket is meghatározhat. Az anyagtudományt és a sűrített anyagfizikát például azáltal, hogy korlátokat szab bizonyos, anyagokhoz is kötődő tulajdonságoknak, például a hangsebességnek.

A tudósok sokféle anyagon tesztelték hipotézisüket, majd egy konkrét feltételezést vizsgáltak meg: e szerint

a hangsebességnek az atom tömegének növekedésével párhuzamosan csökkennie kell.

Az előrejelzés azt sugallja, hogy a hanghullám a fémes hidrogénben a leggyorsabb. A hidrogénnek ez a formája csak rendkívül magas, 1 millió atmoszféra feletti nyomáson jön létre, például a Jupiterhez hasonló hatalmas gázbolygók magjában.

A kutatók kvantummechanikai számításokat elvégezve megállapították, hogy a hang sebessége a fémes hidrogénben áll legközelebb az elméleti határértékhez.

Chris Pickard professzor, a Cambridge-i Egyetem anyagtudományi professzora elmondta:

A szilárd anyagban terjedő hanghullámok már most is nagyon fontosak számos tudományterületen. Például a szeizmológusok a Föld belsejében a földrengések által elindított hanghullámokat használják fel a szeizmikus események természetének, valamint a Föld összetételének és anyagtulajdonságainak megértésére. Az anyagtudósok számára is érdekesek ezek, mert a hanghullámok fontos rugalmassági tulajdonságokkal vannak szoros kapcsolatban, ilyen a stressztűrő képesség is.

Kostya Trachenko, a Queen Mary egyetem professzora hozzátette:

Úgy gondoljuk, hogy ennek a tanulmánynak a megállapításai segítenek megérteni és mélyebben megismerni bizonyos jelenségeket, főként azok határértékeit. Ilyen a viszkozitás és a hővezető képesség, a magas hőmérsékletű szupravezetés, a kvark-gluon plazma, sőt a fekete lyukak fizikája is.