Tìm ra tốc độ tối đa của âm thanh

Nhờ thuyết tương đối hẹp của Einstein, chúng ta biết tốc độ ánh sáng trong chân không là tốc độ giới hạn cuối cùng trong vũ trụ nhưng các sóng khác cũng có giới hạn.

Đặc biệt là sóng âm thanh, lần đầu tiên các nhà khoa học đã tính được giới hạn tốc độ tối đa của âm thanh truyền qua các vật liệu dày đặc như chất rắn và chất lỏng.

Báo cáo trên tạp chí Science Advances , các nhà nghiên cứu dự đoán sóng âm thanh có thể lan truyền với tốc độ tối đa 36 km mỗi giây, gấp đôi tốc độ âm thanh trong kim cương và hơn 100 lần tốc độ âm thanh trong không khí, thấp hơn khoảng 8.000 lần so với tốc độ ánh sáng trong chân không.

Sóng âm là một loại dao động truyền qua môi trường dù là rắn, lỏng hay khí. Trong chất rắn và chất lỏng, tốc độ âm thanh nhanh hơn nhiều vì mật độ của chúng cao hơn. Các hạt cấu thành của chúng gần nhau hơn nhiều cho phép lan truyền rung động nhanh hơn.

Các tính toán của các nhà nghiên cứu bắt đầu từ việc xem xét về cách tính tốc độ âm thanh bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý của vật liệu.

Công thức cho thấy rằng tốc độ phụ thuộc vào mức độ bạn có thể làm biến dạng vật liệu của mình và độ dày đặc của nó. Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng họ có thể mở rộng phép tính này để tạo ra một trường hợp lý tưởng hơn, đi đến công thức phụ thuộc vào ba hằng số: tốc độ ánh sáng trong chân không, tỷ số giữa khối lượng electron và khối lượng proton và hằng số cấu trúc mịn, đặc trưng cho cường độ tương tác điện từ giữa các hạt.

Công thức lý tưởng hóa này được cho có thể dự đoán giới hạn trên của tốc độ âm thanh vì không còn cần các thuộc tính của vật liệu nói chung mà bạn chỉ tính đến các hạt cấu thành và cách chúng tương tác.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một số thử nghiệm trên nhiều loại vật liệu để xác nhận rằng giả thiết của họ cho thấy rằng tốc độ âm thanh tối đa trong chất rắn sẽ giảm khi khối lượng nguyên tử trong vật liệu tăng lên thực sự là đúng.

“Chúng tôi tin rằng những phát hiện của nghiên cứu này có thể có những ứng dụng khoa học hơn nữa bằng cách giúp tìm và hiểu giới hạn của các tính chất khác nhau như độ nhớt và độ dẫn nhiệt liên quan đến tính siêu dẫn nhiệt độ cao”, tác giả nghiên cứu, giáo sư Kostya Trachenko từ Đại học Queen Mary, London, cho biết.