Pagaliau sužinojome: apskaičiuotas maksimalus įmanomas garso greitis

Išmatuoti garso greitį kiekvienoje egzistuoti galinčioje terpėje praktiškai nėra įmanoma. Tačiau mokslininkai sugebėjo nustatyti viršutinę garso greičio ribą, remiantis fundamentaliosiomis konstantomis – universaliais parametrais, kurie padeda mums suprasti Visatos veikimą lemiančius fizikos dėsnius.

Taigi, būgnai, fanfaros ir pranešėjo keliama įtampa… Viršutinė teorinė garso greičio riba yra… 36 kilometrai per sekundę. Arba maždaug dukart greičiau, nei garsas geba judėti deimantu.

Ir garsas, ir šviesa keliauja bangų pavidalu, tačiau jų prigimtis yra visiškai kitokia. Regimoji šviesa ir apskritai bet kokie – radijo, mikrobangų, infraraudonieji, ultravioletiniai, rentgeno ar gama – spinduliai yra elektromagnetinės bangos (spinduliuotė). Jos taip vadinamos dėl to, kad tokias bangas sudaro elektrinio ir magnetinio laukų svyravimai. Vakuume tokių svyravimų sudaroma banga geba keliauti maksimaliu 300 000 km/s greičiu. Įvairiose terpėse – vandenyje, atmosferoje ar panašiai – šviesos greitis mažėja.

Tuo tarpu garsas yra mechaninė banga, kurią galima apibūdinti kaip terpės virpesius. Bangai keliaujant per terpę vienos tos terpės molekulės susiduria su kitomis, tokiu būdu perduodamos savo energiją.

Tad kuo mažiau spūdi yra terpė (kuo sunkiau jos tūrį pakeisti spaudimo būdu), tuo greičiau per ją keliauja garsas. Pavyzdžiui, vandens molekulės yra susipakavusios tankiau nei oro. Iš dalies dėl to banginiai vandenyne gali tarpusavyje bendrauti tokiais dideliais atstumais.

Kietame kūne – pavyzdžiui, deimante – garsas gali sklisti dar greičiau. Šia savybe mokslininkai naudojasi tyrinėdami Žemės gelmes, analizuodami, kaip sklindant per įvairius požeminius darinius kinta žemės virpesių garsas. Panašiu metodu galima analizuoti net ir žvaigždžių vidų.

„Garso bangos kietuosiuose kūnuose jau dabar yra be galo svarbios daugelyje mokslo sričių. Pavyzdžiui, seismologai garso bangas, skleidžiamas Žemės drebėjimų, naudoja kaip signalą, leidžiantį suprasti seisminių reiškinių prigimtį ir Žemės gelmių sudėtį. Taip pat jos labai svarbios medžiagotyrininkams, nes garso bangos yra susijusios su svarbiomis elastinėmis savybėmis, įskaitant atsparumą stresui“, – sakė Kembridžo universiteto (JK) medžiagotyrininkas Chrisas Pickardas.

Jau tikriausiai supratote, kur slypi garso bangų maksimalaus greičio nustatymo sudėtingumas. Kaip turėtume įvertinti visas Visatoje įmanomas medžiagas ir jų kombinacijas, kad rastume iš tiesų absoliučią viršutinę garso bangų greičio ribą?

Būtent čia pasitarnavo fundamentaliosios konstantos. Norint apskaičiuoti viršutinę teorinę garso greičio ribą, Londono Karalienės Marijos universiteto (JK) mokslininkai, kartu su Kembridžo universiteto mokslininkais ir Aukšto slėgio fizikos instituto (Rusija) specialistais nustatė šios ribos priklausomybę nuo dviejų fundamentaliųjų konstantų.

Tai yra smulkiųjų struktūrų konstanta, charakterizuojanti elektromagnetinės sąveikos tarp elementariųjų krūvį turinčių dalelių stiprumą ir protono/elektrono masės santykį (protono masę ramybės būsenoje padalintą iš elektrono masės ramybės būsenoje).

„Labai tikslios smulkiųjų struktūrų konstantos ir protono/elektrono masių santykio reikšmės bei pusiausvyra tarp jų lemia tokias branduolių reakcijas, kaip protonų skilimas ir branduolių sintezė žvaigždėse, tai lemia esminių biocheminiuose procesuose dalyvaujančių elementų, tokių kaip anglis, susidarymą. Ši pusiausvyra sukuria siaurutę „gyvenamą zoną“ erdvėje, kur gali susiformuoti žvaigždės ir planetos ir atsirasti gyvybę palaikančios molekulinės struktūros“, – sako moksliniame straipsnyje rašė autoriai.

„Mes parodėme, kad paprasta smulkiųjų struktūrų konstantos ir protono/elektrono masių santykio kombinacija sudaro dar vieną bedimensinį dydį, kuris pasižymi netikėta ir specifine reikšme kondensuotų fazių savybei – greičiui, kuriuo bangos keliauja skysčiuose ir kietuosiuose kūnuose, arba garso greičiui“, – teigiama straipsnyje.

Norėdami patikrinti savo lygties teisingumą, mokslininkai eksperimentiškai išmatavo garso greitį dideliame kiekyje vieno elemento kietųjų kūnų ir skysčių. Gauti matavimo rezultatai sutapo su jų lygties prognozėmis.

Viena specifinė šios mokslininkų grupės prognozė – kad garso greitis turėtų mažėti augant terpę sudarančių atomų masei. Pagal šią prognozę greičiausiai garsas turėtų sklisti per kietą atominį vandenilį – būseną, kuri gali egzistuoti tik milžiniškame slėgyje, kuris Žemės slėgį jūros lygyje viršija maždaug milijoną kartų (100 gigapaskalių).

Gauti tokios medžiagos mėginį ir panaudoti jį eksperimentiniam viršutinės garso ribos nustatymui būtų be galo sudėtinga, todėl mokslininkai rėmėsi skaičiavimais, kurių pagrindas buvo kietojo atominio vandenilio savybės tarp 250 ir 1000 gigapaskalių. Nustatyta, kad skaičiavimo rezultatai atitiko prognozes.

Jeigu šios grupės sudaryta formulė ir toliau „laikysis“ bei teisingai prognozuos realias sąlygas, ji gali tapti labai vertingu įrankiu, kuris padėtų suprasti ne tik individualias medžiagas, bet ir platesnę Visatą.

„Esame įsitikinę, kad šio mokslinio darbo atradimai gali turėti ir tolesnį mokslinį taikymą – jie padėtų mums surasti alternatyvias ribas tokių skirtingų savybių, kaip klampumas ir šiluminis laidumas, kurie yra svarbūs siekiant aukštos temperatūros superlaidumo, o taip pat – kvarkų-gliuonų plazmos ir netgi juodųjų skylių fizikos prognozavimui“, – sakė Karalienės Marijos universiteto mokslininkas Kostia Tračenko.

Tyrimą publikavo žurnalas „Science Advances“.