فیزیکدانان حد نهایی سرعت صوت در جهان را تأیید کردند

با وجود غیر ممکن بودن اندازه‌گیری سرعت صدا در هر ماده موجود، دانشمندان اکنون موفق شده‌اند حد بالایی بر اساس ثابت‌های بنیادی تعیین کنند؛ پارامترهایی فراگیر که با آن فیزیک جهان را درک می‌کنیم. بر اساس این محاسبات، حد بالایی سرعت صوت ۳۶ کیلومتر بر ثانیه است؛ یعنی تقریبا دو برابر سرعت حرکت صوت در الماس.

صدا و نور هر دو به‌صورت موج حرکت می‌کنند؛ اما رفتار آن‌ها کمی متفاوت است. نور مرئی نوعی تابش الکترومغناطیسی است؛ به این دلیل که امواج نور از میدان های الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان تشکیل شده‌اند. این میدان‌ها یک موج الکترومغناطیسی نامیرا ایجاد می‌کنند که می‌تواند در خلا حرکت کند و حداکثر سرعت آن حدود ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر در ثانیه است. سفر در بستری مانند آب یا جو زمین باعث کند شدن سرعت آن می‌شود.

اما صدا یک موج مکانیکی است که در اثر لرزش در یک محیط ایجاد می‌شود. وقتی موج صوتی از محیطی عبور می‌کند، مولکول‌های آن محیط با یکدیگر برخورد و در طی حرکتشان انرژی را منتقل می‌کنند. از این رو هرچه محیط متراکم‌تر باشد، فشرده‌سازی آن دشوارتر و درنتیجه سرعت صوت بیشتر است. به‌عنوان مثال ذرات آب تراکم بیشتری نسبت به هوا دارند و به همین دلیل است که نهنگ‌ها می‌توانند در فواصل طولانی در اقیانوس ارتباط برقرار کنند.

در یک جامد سفت و سخت، مانند الماس، موج صوتی می‌تواند حتی سریع‌تر حرکت کند. ما از این خاصیت برای مطالعه داخل زمین هنگام انتشار امواج صوتی ناشی از زلزله در آن، استفاده می‌کنیم. حتی می توانیم از آن برای درک فضای داخلی ستارگان استفاده کنیم. کریس پیکارد، دانشمند علم مواد دانشگاه کمبریج، در این‌باره می‌گوید:

مطالعه امواج صوتی منتشرشده در جامدات، از اهمیت چشمگیری در بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی برخوردار است. به‌عنوان مثال، لرزه‌شناسان برای درک ماهیت وقایع مرتبط با زلزله و خصوصیات ترکیبات زمین از امواج صوتی نشأت‌گرفته توسط زمین‌لرزه‌ها در اعماق زمین استفاده می‌کنند. امواج صوتی همچنین مورد توجه دانشمندان علم مواد هستند؛ زیرا به خواص الاستیک مهم مواد از جمله توانایی مقاومت در برابر فشار ارتباط دارند.

با توجه ‌به مطالب فوق، شما احتمالاً متوجه پیچیدگی محاسبه حد بالایی سرعت صوت شده‌اید. چگونه می‌توان کلیه مواد ممکن در جهان را مورد مطالعه قرار داد تا حد بالایی مطلق برای سرعت صوت را تعیین کنیم؟ اینجا است که ثابت‌های اساسی مفید واقع می‌شوند. برای محاسبه محدودیت سرعت صدا، گروهی از دانشمندان دانشگاه کوئین مری لندن، دانشگاه کمبریج و انستیتوی فیزیک فشار بالا در روسیه دریافتند که محدودیت سرعت به دو ثابت اساسی بستگی دارد. این دو ثابت اساسی، ثابت ساختار ریز (ثابت زومرفلد)، که قدرت برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی را بین ذرات باردارشده با بار پایه، مشخص می‌کند و نسبت جرمی پروتون به الکترون هستند. پژوهشگران در مقاله‌ی منتشرشده نوشته‌اند:

مقادیر به‌دقت تنظیم‌شده‌ی ثابت ساختار ریز و نسبت جرم پروتون به الکترون و تعادل بین آن‌ها، حاکم بر واکنش‌های هسته‌ای، مانند واپاشی پروتون و هسته‌زایی ستاره‌ای است که منجر به ایجاد عناصر بیوشیمیایی اساسی از جمله کربن می‌شوند. این تعادل یک «منطقه قابل سکونت» باریک را در فضا فراهم می‌کند که در آن ستاره ها و سیارات می‌توانند تشکیل شوند و ساختارهای مولکولی محافظ حیات ظاهر ‌می‌شوند. ما نشان می‌دهیم که ترکیبی ساده از ثابت ساختار ریز و نسبت جرم پروتون به الکترون منجر به کمیت بدون بُعد دیگری می‌شود که دارای مفهوم خاص برای یک ویژگی اصلی فازهای متراکم مواد است. این کمیت، سرعت حرکت امواج در جامدات و مایعات یا سرعت صوت است.

تیم تحقیقاتی برای تأیید معادله خود، به‌طور آزمایشی سرعت صدا را در تعداد زیادی از مواد جامد و مایعات اندازه‌گیری کردند و نتایج مطابق با پیش‌بینی‌های خود را ارائه دادند. یک پیش‌بینی این گروه این است که سرعت صدا باید با افزایش جرم اتم کاهش یابد. بر اساس این پیش‌بینی، بیشینه سرعت صوت باید در بستری متشکل از اتم‌های هیدروژن جامد، که فقط در فشارهای بسیار بالا در حدود ۱ میلیون برابر فشار جو زمین در سطح دریا (۱۰۰ گیگاپاسکال)، می‌تواند وجود داشته باشد، رخ دهد.

• هر آنچه باید در مورد نسبیت خاص و عام اینشتین بدانید
• کشفی دیرهنگام در فیزیک کلاسیک: امواج صوتی حامل جرم منفی هستند

به دست آوردن یک نمونه برای راستی‌آزمایی این پیش‌بینی از نظر تجربی بسیار دشوار خواهد بود. بنابراین این گروه به محاسبات مبتنی بر خواص هیدروژن اتمی جامد در فشار بین ۲۵۰ تا ۱۰۰۰ گیگاپاسکال اعتماد کردند. آن‌ها دریافتند که باز هم نتایج با پیش‌بینی‌هایشان مطابقت می‌کند. اگر نتایج استفاده از معادله حاصل از این پژوهش استوار باقی بماند، می‌تواند یک ابزار ارزشمند، نه فقط برای درک مواد منحصربه‌فرد، بلکه برای درک جهان پهناور باشد. کاستیا تراچنکو، فیزیکدان دانشگاه کوئین مری لندن، می‌گوید:

ما به یافته‌های این مطالعه باور داریم. این یافته‌ها با کمک به ما برای یافتن و درک حدود خواص مختلف از جمله گرانروی (viscosity) و هدایت حرارتی مربوط به ابررسانایی در دمای بالا، پلاسمای کوارک-گلوئون (QGP) و حتی فیزیک سیاه‌چاله، می‌تواند کاربردهای علمی بیشتری داشته باشد.

این تحقیق در مجله‌ی Science Advances منتشر شده است.