Tak, istnieją ośrodki, w których dźwięk osiąga wyższą prędkość niż w powietrzu. Są to na przykład etanol, woda, ołów, lód, mosiądz, stal, szkło, aluminium czy diament, i nie tylko. Dotychczas myślano, że to w diamencie dźwięk przemieszcza się najszybciej, ale właśnie okazało się, że w rzeczywistości jest inaczej.
Wyjątkowy ośrodek, o wyjątkowych właściwościach
Uczeni z Uniwersytetu w Cambridge oraz Uniwersytetu Królowej Marii w Londynie wykazali, iż dźwięk osiąga swoją maksymalną prędkość, nie w diamencie, a w ośrodku, jakim jest pierwiastkowy wodór w stałym stanie skupienia. Jak już się pewnie domyśliliście, mowa o ośrodku bardzo nietypowym, spotykanym tylko w warunkach ogromnego ciśnienia – na przykład we wnętrzu gazowych gigantów takich jak Jowisz. W takich warunkach wodór jest metalicznym ciałem stałym, który z łatwością przewodzi energię elektryczną i… dźwięk.
No więc, jaką prędkość dźwięk osiąga w pierwiastkowym wodorze w stałym stanie skupienia? Mowa o zawrotnych 36 000 metrach na sekundę. Dla porównania, w wodzie jego prędkość wynosi 1500 metrów na sekundę, w lodzie 3300 metrów na sekundę, w szkle 6000 metrów na sekundę, a w diamencie 12 000 metrów na sekundę. Zatem, we wspomnianym stanie skupienia wodoru dźwięk porusza się z prędkością trzy razy większą, niż w diamencie.
Efekt zaawansowanych obliczeń
W jaki sposób uczeni dokonali opisywanego odkrycia? Badając dwie podstawowe stałe fizyczne – stałą struktury subtelnej (zwaną też stałą Sommerfelda) oraz stosunek masy protonu do masy elektronu. Stałe te odgrywają w nauce ważną rolę – mają znaczenie między innymi w kwestii właściwości przeróżnych stanów materii. W ten sposób naukowcy doszli do wniosku, że to właśnie w pierwiastkowym wodorze o stałym stanie skupienia dźwięk powinien osiągać najwyższą prędkość.
Rzecz jasna, uczeni przetestowali swoją teorię, a zrobili to z pomocą obliczeń z dziedziny mechaniki kwantowej. W ten sposób wykazano, że prędkość światła w pierwiastkowym wodorze w stałym stanie skupienia jest zbliżona do jej teoretycznego limitu.
Chociaż owoce wysiłków naukowców z brytyjskich uniwersytetów zapewne nie przełożą się na nasze życie codzienne, z pewnością są one fascynujące. Z resztą, wyniki badań mogą doprowadzić do poprawienia jakości przeróżnych modeli w różnych dziedzinach nauki. Być może pomogą nam one odkryć limity innych właściwości, takich jak lepkość i przewodnictwo cieplne, co przełożyłoby się na badania dotyczące nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, plazmy kwarkowo-glukonowej, a nawet czarnych dziur.
Źródło: Science Advances, fot. tyt. Pixabay/CSTRSK