WLA年度发布 | 声波在介质中传播最高速度是多少？由两个基本物理常量决定

编者按：

今年二月，世界顶尖科学家协会（WLA）首次面向全球发布年度报告。这份主题为《希望之光，疫情下的科学突破》的报告，汇集15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶尖科学家，以引领学科发展的前瞻性视野，深度点评过去一年的科学突破，打造科学界风向标。

WLA年度发布 图 | WLA上海中心

科学家发现声音在固态和液态物质中传播速度的上限仅与两个物理无量纲量有关。声音在理论上的金属氢中可能达到的最快速度，约为每秒36公里，约为钻石中音速的两倍、空气中音速的一百倍。

电磁波与声波都是我们日常中随处可见的波动，前者的传播极限速度以及条件，早已被爱因斯坦狭义相对论所证明，即真空条件下的每秒30万公里；但作为需要依靠介质传播的后者，是否存在最大值，尚未有定论。而在去年，英国伦敦玛丽女王大学的Kostya Trachenko及其同事，首次计算出了声波在理论上于介质中传播的可能最大速度——约为每秒36公里，仅为真空中光速的1/8000。同时，他们还确定了两个影响声波速度的因素，也是十分著名的两个物理常数：质子-电子质量比和精细结构常数。这项研究成果被发表于2020年10月9日的《ScienceAdvances》上。

研究成果发布 图 | ScienceAdvances

这两个已知的物理常数影响了宇宙的基本状态，如两个数值间的平衡，将影响恒星和行星是否能形成、生命结构分子是否能够出现。Trachenko提到，这些数值哪怕仅改变了一点点，宇宙就将完全不是现在的模样。由于声波依赖介质中相邻粒子的相互作用而传播，Trachenko的团队发现，声波速度将会受到材料密度、材料原子间结合方式、原子质量的影响，因此，他们利用这两个物理常数，提出理论，声波在固态原子氢中将达到最快传播速度，并计算出了该速度约为每秒36公里，这个数值是普遍认为的通过钻石介质能达到的最高声速的两倍。随后他们还研究了133种材料的实验数据，发现没有一种材料突破极限。

气态巨行星如土星、木星可能含有大量金属氢（灰色部分）

图 | 天文在线

固态原子氢在理论上存在于巨型行星的内部，需要100万个大气压以上的高压；2016年，英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态，从而生成“第五状态氢”，即氢的固体金属状态。

尽管这个计算获得的速度并未获得完全的“最极限”肯定，一些科学家如爱丁堡大学的Graeme Ackland表示，确定声音在重元素中的传播还需作出更多工作，但1998年沃尔夫物理学奖获得者、顶尖科学家协会会员迈克尔•贝里（Michael Berry）认为，在所有的十项突破里，其它九项都属于显示了独创性和高超技术的实验突破，而“绝对声速的极限受基本常数的制约”是唯一一项属于理论的突破，也最令他感到惊奇。