Vďaka spolupráci Cambridgskej univerzity, univerzity Queen Marry a inštitútu High Pressure Physics v Rusku sme konečne zistili maximálnu rýchlosť šírenia zvuku. Definitívne určiť tento výsledok bola dlhá a náročná úloha najmú preto, lebo merať rýchlosť zvuku v každom existujúcom materiáli nie je jednoduché a vlastne ani možné.

Napriek tomu sa však vedcom podarilo určiť hornú hranicu rýchlosti zvuku a to na základe konštánt a univerzálnych parametrov, podľa ktorých sa riadi vesmír, o téme informoval portál Sciencealert.

Výsledky uvedenej spolupráce a tiež aj pohľad do „zákulisia“ tohto experimentu sú publikované v žurnále Science Advances. V ňom tým vedcov upravuje doposiaľ uvádzané maximum (cca 18 km/s v diamante) na 36 km/s v tuhom atómovom vodíku, informoval web Phys.

Pixabay

Dve bezrozmerné konštanty

Prečo práve v tuhom atómovom vodíku? Zvukové vlny môžu prechádzať rôznymi materiálmi, respektíve médiami rozličnými rýchlosťami, čo je spôsobené tým, že zvuk je v podstate mechanické vlnenie spôsobené kmitaním hmoty, ktorá toto kmitanie odovzdáva hmotným časticiam nachádzajúcim sa v médiu, ktoré ho obklopuje. Z tohto dôvodu vo všeobecnosti platí, že čím je médium pevnejšie, tým rýchlejšie sa v ňom šíri zvuk.

Doteraz však nebolo známe, či zvukové vlny majú aj nejaký horný rýchlostný limit, respektíve či existuje absolútna najvyššia rýchlosť zvuku pri cestovaní pevnými alebo kvapalnými látkami.

Okrem konkrétneho čísla štúdia taktiež uvádza, že rýchlosť zvuku závisí od dvoch základných bezrozmerných konštánt. Presnejšie od konštanty jemnej štruktúry, ktorá charakterizuje silu elektromagnetických interakcií medzi elementárnymi časticami a od pomeru hmotnosti protónu k elektrónu.

Pre zaujímavosť, tieto dve uvedené konštanty zohrávajú dôležitú úlohu v porozumení nášho vesmíru, určujú totiž to ako vznikajú hviezdy a jadrové reakcie, ale zároveň určujú miesta, kde môžu vznikať hviezdy, planéty a dokonca aj molekulárne štruktúry podporujúce život.

Výsledky výskumu

Nový výskum však naznačuje, že tieto dve základné konštanty môžu ovplyvniť aj iné vedecké oblasti, akými sú náuka o materiáloch a fyzika kondenzovaných stavov a to konkrétne stanovením obmedzení pre špecifické vlastnosti materiálov, ako je v tomto prípade rýchlosť zvuku.

„Ukazujeme, že jednoduchá kombinácia konštanty jemnej štruktúry a pomeru hmotnosti protónov k elektrónom vedie k ďalšej bezrozmernej veličine, ktorá má neočakávaný a konkrétny dopad na kľúčovú vlastnosť kondenzovaných stavov – rýchlosť, akou vlny prechádzajú v pevných a kvapalných látkach“ uvádzajú vedci vo svojej publikácii.

Pixabay

Na potvrdenie správnosti svojich výpočtov experimentálne zmerali rýchlosť zvuku na širokej škále materiálov, pričom sa zaoberali jednou konkrétnou predikciou, podľa ktorej sa rýchlosť zvuku znižuje s hmotnosťou atómu. Podľa tejto predikcie by sa teda zvuk mal najrýchlejšie pohybovať v tuhom atómovom vodíku. Vodík je však atómovo tuhá látka iba pri veľmi vysokom tlaku (viac ako 1 milión atmosfér), teda tlaku porovnateľnom s tlakom jadra Jupitera.

Na Zemi sa podarilo podobný tlak dosiahnuť inej skupine vedcov prostredníctvom laserového systému, ktorý simuluje tlak podobný tomu, aký dosahujú vo svojom obale vzácne druhy bielych trpaslíkov.

Pri takto extrémnom tlaku sa vodík stáva unikátnou pevnou kovovou látkou a predpokladá sa, že sa „premení“ na supravodič, ktorý dokáže viesť elektrický prúd bez strát aj pri izbovej teplote.

Keďže dosiahnuť niečo takéto v laboratórnych podmienkach, je neuveriteľné náročné, vedci boli nútení vykonať zložité kvantové mechanické výpočty (namiesto experimentu), z ktorých vyplynulo, že rýchlosť zvuku v atómovom vodíku sa skutočne približuje predpovedanému teoretickému maximu.