اقترح الفيزيائيون حدًا نهائيًا للسرعة التي يمكن أن تنتقل بها الموجات الصوتية في ظل ظروف توجد عادة على الأرض. يعتمد الرقم على الثوابت الأساسية ، وهي أرقام مهمة في الفيزياء تحكم خصائص وتفاعلات الجسيمات دون الذرية.
في ظل الظروف العادية ، لا يمكن أن تزيد سرعة الموجات الصوتية عن 36 كيلومترًا في الثانية
الصوت له حد للسرعة. في ظل الظروف العادية ، لا يمكن لموجاته السفر أسرع من حوالي 36 كيلومترًا في الثانية ، كما اقترح فريق من علماء الفيزياء في 9 أكتوبر في نشرة Science Advances .
ينطلق الصوت بمعدلات مختلفة في مواد مختلفة - يتحرك في الماء أسرع منه في الهواء على سبيل المثال. ولكن في ظل الظروف الموجودة بشكل طبيعي على الأرض ، لا يمكن لأي مادة أن تستضيف موجات صوتية تتجاوز هذا الحد الأقصى ، وهو حوالي 100 ضعف السرعة النموذجية للصوت المنتقل في الهواء.
يعتمد منطق الفريق على معادلات معروفة جيدًا للفيزياء والعلاقات الرياضية. يقول عالم فيزياء المادة المكثفة كامران بهنيا من المدرسة العليا للفيزياء والكيمياء الصناعية في باريس: "نظرًا لبساطة الحجة ، فإنها تشير إلى أن الباحثين يضعون أصابعهم على شيء عميق جدًا".
تستند معادلة حد السرعة إلى الثوابت الأساسية ، وهي الأعداد الخاصة التي تحكم الكون. أحد هذه الأرقام ، وهو سرعة الضوء ، يحدد الحد الأقصى للسرعة في الكون - لا شيء يمكن أن يكون أسرع. وهناك نوع آخر ، يُعرف بثابت البنية الدقيقة ، يحدد القوة التي تدفع بها الجسيمات المشحونة كهربائيًا وتسحب بعضها البعض. عند دمجها في الترتيب الصحيح مع ثابت آخر - نسبة كتل البروتون والإلكترون - تنتج هذه الأرقام حدًا لسرعة الصوت.
تنتقل الموجات الصوتية ، التي تتكون من اهتزازات الذرات أو الجزيئات ، عبر مادة ما يضغط جسيم على جسيم آخر. تعتمد سرعة الموجة على عوامل مختلفة ، بما في ذلك أنواع الروابط الكيميائية التي تمسك المادة معًا ومدى كتلة ذراتها.
وجد عالم فيزياء المادة المكثفة كوستيا تراتشينكو وزملاؤه أن أيًا من سرعات الصوت التي تم قياسها سابقًا في مجموعة متنوعة من السوائل والمواد الصلبة لا تتجاوز الحد المقترح. كانت السرعة القصوى التي تم قياسها ، بالماس ، حوالي نصف الحد الأقصى النظري فقط.
ينطبق هذا الحد فقط على المواد الصلبة والسوائل عند الضغوط الموجودة عادة على الأرض. عند ضغط ملايين المرات من الغلاف الجوي للأرض ، تتحرك الموجات الصوتية بشكل أسرع ويمكن أن تتجاوز الحد الأقصى.
توجد مادة واحدة يُتوقع أن تتباهى بسرعة صوت عالية فقط عند مثل هذه الضغوط العالية: الهيدروجين مضغوط بقوة كافية ليتحول إلى معدن صلب . لم يتم أبدًا إنشاء هذا المعدن بشكل مقنع ، لذلك قام الباحثون بحساب السرعة المتوقعة بدلاً من استخدام القياس. تشير الحسابات إلى أنه إذا تجاوز الضغط الجوي للأرض بحوالي 6 ملايين مرة ، سيتم كسر حد سرعة الصوت.
ينتج دور الثوابت الأساسية في السرعة القصوى للصوت من كيفية تحرك الموجات خلال المواد. ينتقل الصوت بفضل التفاعلات الكهرومغناطيسية لإلكترونات الذرات المجاورة ، حيث يلعب ثابت البنية الدقيقة دوره (يعرف أيضا باسم Sommerfeld's constant ). ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون مهمة لأنه على الرغم من تفاعل الإلكترونات ، فإن نوى الذرات تتحرك نتيجة لذلك.
ثابت البنية الدقيقة ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون هما ثوابت بلا أبعاد ، مما يعني عدم وجود وحدات مرتبطة بهما (لذا فإن قيمتها لا تعتمد على أي نظام معين للوحدات). مثل هذه الثوابت عديمة الأبعاد تبهر الفيزيائيين ، لأن القيم مهمة لوجود الكون كما نعرفه. على سبيل المثال ، إذا تم تغيير ثابت البنية الدقيقة بشكل كبير ، فلن تكون النجوم والكواكب والحياة قد تشكلت. لكن لا أحد يستطيع أن يشرح سبب امتلاك هذه الأرقام المهمة القيم التي تمتلكها.
يقول تراتشينكو ، من جامعة كوين ماري في لندن: "عندما أقضي ليالي بلا نوم ، فإني أفكر في ذلك أحيانًا". لذلك قام هو وزملاؤه بتوسيع هذا اللغز من العالم الكوني إلى مفاهيم أكثر شيوعًا مثل سرعة الصوت. أبلغ تراشينكو والمؤلف المشارك فاديم فينيامينوفيتش برازكين من معهد فيزياء الضغط العالي في ترويتسك بروسيا عن حد أدنى من اللزوجة الممكنة للسوائل في 24 أبريل ( Science Advances).
يعتمد حد اللزوجة هذا على ثابت بلانك ، وهو رقم في قلب ميكانيكا الكم ، الرياضيات التي تحكم الفيزياء على مقاييس صغيرة جدًا. إذا كان ثابت بلانك أكبر بمئة مرة ، كما يقول تراتشينكو ، فإن "الماء سيكون مثل العسل ، وربما تكون هذه هي نهاية الحياة لأن العمليات في الخلايا لن تتدفق بكفاءة."
المصدر