Xác định được vận tốc lớn nhất của âm thanh

Cho đến nay, tốc độ âm thanh lớn nhất được đo trong kim cương, và tốc độ này chỉ bằng khoảng một nửa giá trị tối đa được xác định về mặt lý thuyết.

Các sóng âm thanh có thể truyền qua nhiều môi trường khác nhau, chẳng hạn như không khí hoặc nước. Chúng di chuyển với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào môi trường mà chúng đi qua.

Ví dụ: Các sóng âm thanh di chuyển qua chất rắn nhanh hơn nhiều so với khi di chuyển qua chất lỏng hoặc chất khí; vì vậy bạn có thể nghe thấy sớm hơn tiếng một đoàn tàu đang đến gần nếu bạn nghe âm thanh đi dọc theo đường ray chứ không phải truyền trong không khí.

Thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein áp đặt giới hạn tối đa cho vận tốc truyền sóng, đó là vận tốc ánh sáng (khoảng 300.000 km/s). Tuy nhiên cho đến nay, người ta không rõ liệu sóng âm thanh có giới hạn trên hay không, khi nó truyền qua chất rắn hoặc chất lỏng.

Mới đây, các nhà khoa học ở Trường ĐH Queen Mary thuộc ĐH London, ĐH Cambridge (Anh) và Viện Vật lý áp suất cao (Nga) đã xác định được rằng vận tốc âm thanh phụ thuộc vào 2 hằng số cơ bản: Hằng số cấu trúc tinh tế và tỷ lệ khối lượng proton so với điện tử.

Giới hạn vận tốc âm thanh

Nhà khoa học Kostya Trachenko ở Trường ĐH Queen Mary và các đồng nghiệp đã bắt đầu nghiên cứu với hai hằng số vật lý: Tỷ lệ giữa khối lượng của proton với khối lượng của điện tử, và hằng số cấu trúc tinh tế đặc trưng cho mức độ tương tác điện từ giữa các hạt mang điện.

Theo Kostya Trachenko, chúng ta có ý tưởng khá tốt về những hằng số này. Nếu các hằng số này thay đổi dù chỉ một chút, vũ trụ sẽ không có diện mạo như hiện tại.

“Nếu chúng ta thay đổi giá trị các hằng số một vài phần trăm, thì proton có thể sẽ không còn ổn định, các quá trình tổng hợp nguyên tố nặng diễn ra trên các ngôi sao thậm chí sẽ dừng lại; và như vậy sẽ không có carbon và không có sự sống” – ông Trachenko cho biết.

Hai hằng số nói trên đóng vai trò quan trọng trong kiến thức về vũ trụ của chúng ta. Các giá trị được tinh chỉnh của chúng chi phối các phản ứng hạt nhân (như phân rã proton và tổng hợp hạt nhân) trong các ngôi sao. Sự cân bằng giữa các giá trị này được đảm bảo bởi sự tồn tại của một sinh quyển - tức là khu vực xung quanh các ngôi sao, nơi các hành tinh có các điều kiện thích hợp để có thể duy trì sự sống.

Tuy nhiên, các phát hiện mới cũng cho thấy, 2 hằng số cơ bản này cũng có thể ảnh hưởng đến các lĩnh vực khoa học khác, chẳng hạn như khoa học vật liệu hay vật lý vật chất ngưng tụ, bằng cách thiết lập các ranh giới cụ thể cho các thuộc tính của vật chất, chẳng hạn như tốc độ âm thanh.

Hai hằng số nói trên chi phối vũ trụ và giới hạn vận tốc âm thanh dựa trên các hằng số đó. Vận tốc ánh sáng là giới hạn cuối cùng của vận tốc trong vũ trụ. Hằng số cấu trúc tinh tế xác định lực mà các hạt mang điện tương tác với nhau. Trong kết hợp với một hằng số khác – tỷ số khối lượng proton và điện tử, hằng số cấu trúc tinh tế cho chúng ta thấy giới hạn vận tốc âm thanh.

Vận tốc âm thanh cực đại

Sóng âm thanh.

Âm thanh là sóng lan truyền, gây ra sự tương tác giữa các hạt ở gần nhau. Chính vì vậy, tốc độ của âm thanh phụ thuộc vào mật độ của vật liệu và cách các nguyên tử liên kết trong vật liệu đó.

Xem xét thực tế này đồng thời sử dụng hằng số về tỷ lệ khối lượng của proton so với electron và hằng số cấu trúc tinh tế, Trachenko và các đồng nghiệp của ông đã tính được vận tốc tối đa mà âm thanh có thể lan truyền (về mặt lý thuyết) trong bất kỳ chất lỏng hay chất rắn nào: Giá trị đó xấp xỉ 36 km/giây.

“Người ta thường cho rằng, âm thanh đạt tốc độ lớn nhất trong kim cương, bởi vì đây là vật liệu cứng nhất. Tuy nhiên, chúng tôi không biết rằng, về mặt lý thuyết, có tồn tại các giới hạn cơ bản về vận tốc của âm thanh hay không” – ông Trachenko nói.

Không một giá trị vận tốc âm thanh nào mà trước đó được đo trong các chất lỏng và chất rắn khác nhau, lại có thể vượt qua giới hạn vận tốc được đề nghị. Vận tốc âm thanh lớn nhất được đo trong kim cương và có giá trị chỉ bằng một nửa giới hạn vận tốc tối đa về mặt lý thuyết.

Các nhà khoa học đã kiểm nghiệm các dự đoán lý thuyết của họ trên nhiều loại vật liệu và họ dự đoán rằng tốc độ âm thanh sẽ giảm theo khối lượng của nguyên tử.

Dự đoán này cho thấy, âm thanh sẽ lan truyền nhanh nhất trong hydro kim loại, tức là hydro ở áp suất cực cao - một loại vật chất, về mặt lý thuyết, tồn tại bên trong các hành tinh khổng lồ, chẳng hạn như sao Mộc. Các nhà khoa học cho rằng, vận tốc âm thanh trong hydro kim loại có giá trị gần bằng giới hạn lý thuyết.

“Các sóng âm thanh trong vật rắn đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học. Ví dụ, các nhà địa chấn học lợi dụng sóng âm thanh khởi nguồn từ các trận động đất bên trong lòng hành tinh để hiểu bản chất của sự kiện động đất và hiểu các thành phần của Trái đất.

Sóng âm thanh cũng được các nhà khoa học về vật liệu quan tâm, bởi vì sóng âm thanh có liên quan tới các tính chất đàn hồi, chịu nén của vật liệu” – Giáo sư Chris Pickard ở ĐH Cambridge, cho biết như vậy.