扫描打开手机站
随时逛,及时抢!
当前位置:首页>资讯>

光速能达到多少(光速最快可以达到每秒30万公里)

光速能达到多少(光速最快可以达到每秒30万公里)

时间:2021-03-08 11:05:38 来源:百思特网 作者:思思

在这个宇宙中,没有什么可以比光的速度更快,这是爱因斯坦的相对论告诉我们的。

我们都很熟悉这种说法,以至于说的时候经常忽略一个前提:真空。在不同的介质中,光的传播速度是不同的。只有在没有介质的真空之中,光才可以达到这个极限。如果是在水中,光的速度无法达到这么快,在不透明固体中甚至无法传播。

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


除了光速之外,我们还经常提到音速。和光速相反的是,声音一般在固体中传播速度更快一些,在液体次之,空气中更慢,在没有介质的真空之中无法传播。

二者的本质都是波,却有着截然相反的性质,这是因为它们属于不同的波:光属于电磁波,声属于机械波。机械波必须依赖介质进行传播,而电磁波则不喜欢介质来阻碍自己前进。我们可以粗略地理解为:随着介质刚性的增加,电磁波传播越困难,而机械波则更容易传播。

真空就是电磁波速度的极限环境,因为我们可以说真空的刚性是0,不可能更小了。而音速则不同,我们可以知道它的速度下限,那就是真空中的0。我们也知道它在空气中(15℃)的传播速度,一般取340米每秒。我们通常说的音速指的就是声音在地表大气中的传播速度,比如所谓的超音速,不过本文中我们不特指某个环境。那么问题来了:音速是否有上限呢?

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?

飞机超音速瞬间产生的音爆现象

既然音速在不同的介质中传播的速度不同,理论上来说,我们就必须测试音速在所有介质中的传播速度,然后取最快的一个。显然,这是不可能的,因为我们也不知道宇宙中有多少种物质,它们有多少种状态。因此,在很长一段时间里,声音的速度极限一直是困扰科学家们的难题。

我们已经知道了声音在一些固体中的传播速度,比如在20℃的铁中,传播速度约为每秒5130米;在花岗岩中,声音的传播速度可达6000米每秒;在金刚石中,声音则可以获得极快的速度,大约是每秒18000米。

这些数据对于科学家们来说非常重要,甚至成为了进行其他研究的参考。在地震的时候,我们也可以利用这些数据研究地球的内部结构。或者在太空之外,它可以帮助我们研究其他星球。可是,如果有些物质不在地球上,我们该如何求出声音在其中的传播速度呢?

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


虽然我们不可能将所有的物质都拿来一一测试,但是物理学的一些成果和基本数据,还是可以帮助我们从理论上推算出音速的上限。来自伦敦玛丽皇后大学、英国剑桥大学和俄罗斯高压物理研究所的科学家团队发现,声音的速度实际上取决于两个基本常数,一个是精细结构常数,一个是质子和电子的质量比。

精细结构常数的来历说来话长,简单解释一下,它是一个无量纲常数,也百思特网就是说它没有任何物理单位,或者说物理单位就是1。精细结构常数=e2/(40c),其中e是电子的电荷,0 是真空介电常数, 是约化普朗克常数,c 是真空中的光速,最终计算结果是≈137。

质子和电子的质量比很好理解,只要用二者的静止质量做除法就可以。

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


该科学团队在论文中指出:“精细结构常数和质子-电子质量比的微妙数值,以及二者之间的平衡,决定了恒星内部质子衰变和核合成等核反应,最终也促成了包括碳在内的基本化学元素的出现。这种平衡在宇宙空间提供了一个‘宜居范围’,允许恒星和行星的形成,也能够让支持生命的分子结构出现。我们的研究表明:精细结构常数和质子-电子质量比可以简单组合成为另一个无量纲的物理量,而这个量又对另一个重要的属性有着意想不到的特殊意义,这个属性就是波、或者说音速在固体和液体之中的传播速度。”

说了这么多,该团队最终得到的音速极限到底是怎么算出来的呢?

实际上,他们最终得到了一个音速的方程。推导过程比较复杂,我们就不赘述了,最后得到的音速极限等于精细结构常数乘以1/2质子-电子质量比的开平方再乘以光速,数学表达式为:百思特网

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


最后的计算结果是:音速的极限大约是每秒36公里,几乎是声音在金刚石中传播速度的2倍。

为了证明他们方程是否准确,研究团队对大量的固体和液体进行了测试,结果音速都符合这个方程。

他们还进行了另一个方式的验证:研究团队认为,音速会随着原子质量的增加而减小,那么它的极限速度就不会超过在质量最小的原子——氢原子中的传播速度。当然,为了传播得更快,他们测试的必须是生活中不可能见到的固体氢,这就要求其压力超过地表大气压100万倍,也就是1000兆百思特网帕的压强,才能将平时成气态的氢压缩为固态。

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


该团队并没有直接利用固态氢来进行测试,而是基于250到1000兆帕下固态氢的属性进行了相关的计算。结果表明,他们的方程依然成立。

至少从目前来看,该团队推导出来的方程还是一直适用的。如果在未来它依然能够不断地得到验证,那么我们就基本可以确定自己又掌握了一项物理学研究利器。甚至,在这次研究的成果之上,科学家们还可以更好地研究这个宇宙。

伦敦玛丽女王大学的物理学家Kostya Trachenko指出:“我们相信,这次研究的成果可以在科学领域有更加广泛的应用,比如它可以帮助我们寻找并理解与高温超导性、夸克-胶子等离子体甚至黑洞物理相关的各种性质的极限,像粘度、热导率等等。”

光速最快可以达到每秒30万公里,那么音速呢?它有上限吗?


我们有句古话,叫做“授人以鱼不如授人以渔”。在以往,科学家们计算音速都是“鱼”,而这一次的方程很可能就是那个“渔”。如果它真的被证明是正确的,那么我们将会对宇宙有更加深入的了解。


本文地址:https://www.best73.com/news/62299.html
特别声明:以上内容来源于编辑整理发布,如有不妥之处,请与我方联系删除处理。