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  • 超声波震板计算声波传播速度的极限
  • 添加时间:2021年01月04日  文章作者:超声波震板  文章来源:超声波震板  访问次数:

超声波震板遇到了“声速的极限是多少”这个问题,会怎么处理呢?我想,大部分人可能会先考虑一些具体条件,比如我们知道传播速度会受到介质材料和结构的影响。介质是固态、液态还是气态?如果固态,是晶体还是非晶体?这些因素都会影响到速度。所以我们普通人,可能会先从介质的材料和结构入手。

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

可是从这个角度切入,这个问题就太难找到解决方案了,因为有无数种可能性,总不能一个一个去试吧?

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

但是这几位英国和俄罗斯的物理学家,却不是这么想的。他们直接忽略掉了关于介质的这些细节,而是回归到了声音传播这个现象的本质。

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

声音传播现象的本质是什么呢?也就是声音不论是在哪传播,它的本质都是周期性的振动作为一种运动形式,在一大堆原子之间相互扩散。

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超声波震板计算声波传播速度的极限

回归到了这个本质之后,我们会发现声音传播的速度其实只取决于两个因素,一个是原子的质量,原子的质量越大,让它震动起来就越困难,声音传播的速度也就越慢;另一个因素是原子之间相互作用的强度,相互作用的强度越大,振动传递到下一个原子就越容易,声音传播的速度就越快。

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

也就是说,要想找到声音传播的最大速度,我们只需要找到一个条件,在这个条件下,原子的相对质量最小,且原子之间的作用力最强。这么一来,声音的传播速度就达到最大了。

 

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记住啊, 一个是质量,一个是作用力。

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

这两个本质性的因素,就是这项研究中科学家思考的出发点。但是,光这样定性的描述,只能提供一个思路。科学家们接下来做的,是找到了这两个决定性因素对应的数学公式。

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非常巧的是,原子之间用来传播声音振动的作用力,主要是电磁力,这恰好对应着物理学当中一个非常基础的常数,叫做精细结构常数,这个数字的大小大约是1/137,是一个基本上不会发生变化的量。

 

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——也就是说,影响声速的条件,在这个视角下事实上就剩下了一个,就是原子质量。原子质量越小,理论上声速的极限就越大。那质量最轻的是什么呢?就是只有一个质子构成的氢原子。

 

基于这层理解,进行这项研究的科学家得出一个重要的公式:声音传播的速度=电子和原子核质量相除之后的平方根,乘以精细结构常数,再乘以光速。

 

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这个公式你不用记啊。你只需要知道,在这个公式里,我们带入氢原子的数据,就能推导出在我们这个宇宙中,声音传播最大速度了,也就是我们一开始提到的36千米每秒。

 

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——不过注意啊,科学家们表示,这个速度在地球上是很难出现的。因为氢元素在地球上主要以气态的形式存在。要想达到论文中预测的声波速度,研究人员推测需要氢元素以固态形式存在,比如木星内部,就可能在巨大的压力之下存在金属状态的氢。

 

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听到这里你可能会说了,科学家推导了这么半天,最后来一句在木星,才有声音的最大速度。那我们怎么知道,他们这个公式算得到底对不对呢?难道我们还得飞一趟木星去做测试?

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

别着急。其实,这个公式不仅能够推导出宇宙中的最大声音速度。它还可以用来推导,声音在地球上各种介质中传播的速度,比如在碳、铝、铁当中的传播速度。这些数据,我们都可以很容易地通过实验,实际测量出来。

 

超声波震板计算声波传播速度的极限

进行这项研究的科学家,把地球上36种常见的物质中的声速,和这个公式的预测出的声速进行了对比,发现结果吻合得相当不错。这样的结果恰恰说明了,这个公式,并不是科学家的思想游戏,而是确实能在现实中找到实验依据的。


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