36 كم في الثانية .. علماء يحددون أقصى حد لسرعة الصوت
القبة نيوز- كشف تعاون بحثي بين جامعتي كوين ماري وكامبريدج في بريطانيا ومعهد فيزياء الضغط العالي في ترويتسك بروسيا، أسرع سرعة ممكنة للصوت.
وكانت النتيجة التي تم التوصل لها من قبل هي حوالي 36 كم في الثانية، وتبلغ ضعف سرعة الصوت في الماس، وهي أقوى مادة معروفة في العالم.
والموجات بشكل عام سواء صوتية أو ضوئية، هي اضطرابات تنقل الطاقة من مكان إلى آخر، ويمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر وسائط مختلفة، مثل الهواء أو الماء، وتتحرك بسرعات مختلفة اعتمادًا على ما تنتقل عبره.
على سبيل المثال، تتنقل الموجات عبر المواد الصلبة بشكل أسرع بكثير من السوائل أو الغازات، وهذا هو السبب أنك قادر على سماع قطار يقترب إذا كنت تستمع إلى الصوت في مسار السكك الحديدية بدلاً من الهواء.
وتحدد نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين الحد الأقصى للسرعة التي يمكن للموجة أن تنتقل عندها وهي سرعة الضوء، وتساوي حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية، ومع ذلك، لم يكن معروفًا حتى الآن ما إذا كان للموجات الصوتية أيضًا حد أقصى للسرعة عند السفر عبر المواد الصلبة أو السائلة.
وأظهرت الدراسة، التي نُشرت في العدد الأخير من مجلة "ساينس أدفانسيس"، أن التنبؤ بالحد الأعلى لسرعة الصوت يعتمد على ثابتين أساسيتين بلا أبعاد، وهما ثابت البنية الدقيقة ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون.
ومن المعروف بالفعل أن هذين الرقمين لهما وظيفة مهمة في فهم كوننا، وتتحكم قيمهما المضبوطة بدقة في التفاعلات النووية مثل تحلل البروتون والتوليف النووي في النجوم، ويوفر التوازن بين الرقمين "منطقة صالحة للسكن" حيث يمكن للنجوم والكواكب أن تتشكل ويمكن أن تظهر الهياكل الجزيئية الداعمة للحياة.
ومع ذلك، تشير النتائج الجديدة إلى أن هذين الثابتين يمكن أن يكون لهما تأثيرا على المجالات العلمية الأخرى، مثل علم المواد وفيزياء المادة المكثفة، من خلال وضع حدود لخصائص معينة للمواد مثل سرعة الصوت.
واختبر العلماء تنبؤاتهم النظرية على مجموعة واسعة من المواد وتناولوا تنبؤًا واحدًا محددًا لنظريتهم بأن سرعة الصوت يجب أن تنخفض مع كتلة الذرة.
ويشير هذا التنبؤ إلى أن الصوت هو الأسرع في الهيدروجين الذري الصلب، ومع ذلك، فإن الهيدروجين مادة صلبة ذرية عند ضغط عالٍ جدًا فوق 1 مليون ضغط جوي فقط، وهو ضغط مماثل لتلك الموجود في قلب عمالقة الغاز مثل كوكب المشتري.
وعند هذه الضغوط يصبح الهيدروجين مادة صلبة معدنية رائعة موصلة للكهرباء تمامًا مثل النحاس ومن المتوقع أن يكون موصلًا فائقًا في درجة حرارة الغرفة.
لذلك، أجرى الباحثون أحدث حسابات ميكانيكا الكم لاختبار هذا التوقع ووجدوا أن سرعة الصوت في الهيدروجين الذري الصلب قريبة من الحد الأساسي النظري.
ويقول الدكتور كريس بيكارد، أستاذ علوم المواد بجامعة كامبريدج: "إن الموجات الصوتية في المواد الصلبة لها بالفعل أهمية كبيرة في العديد من المجالات العلمية، فعلى سبيل المثال، يستخدم علماء الزلازل الموجات الصوتية التي بدأتها الزلازل في أعماق باطن الأرض لفهم طبيعة الزلازل الأحداث وخصائص تكوين الأرض، كما أنها تهم علماء المواد لأن الموجات الصوتية مرتبطة بخصائص مرنة مهمة بما في ذلك القدرة على مقاومة الإجهاد".
وكانت النتيجة التي تم التوصل لها من قبل هي حوالي 36 كم في الثانية، وتبلغ ضعف سرعة الصوت في الماس، وهي أقوى مادة معروفة في العالم.
والموجات بشكل عام سواء صوتية أو ضوئية، هي اضطرابات تنقل الطاقة من مكان إلى آخر، ويمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر وسائط مختلفة، مثل الهواء أو الماء، وتتحرك بسرعات مختلفة اعتمادًا على ما تنتقل عبره.
على سبيل المثال، تتنقل الموجات عبر المواد الصلبة بشكل أسرع بكثير من السوائل أو الغازات، وهذا هو السبب أنك قادر على سماع قطار يقترب إذا كنت تستمع إلى الصوت في مسار السكك الحديدية بدلاً من الهواء.
وتحدد نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين الحد الأقصى للسرعة التي يمكن للموجة أن تنتقل عندها وهي سرعة الضوء، وتساوي حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية، ومع ذلك، لم يكن معروفًا حتى الآن ما إذا كان للموجات الصوتية أيضًا حد أقصى للسرعة عند السفر عبر المواد الصلبة أو السائلة.
وأظهرت الدراسة، التي نُشرت في العدد الأخير من مجلة "ساينس أدفانسيس"، أن التنبؤ بالحد الأعلى لسرعة الصوت يعتمد على ثابتين أساسيتين بلا أبعاد، وهما ثابت البنية الدقيقة ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون.
ومن المعروف بالفعل أن هذين الرقمين لهما وظيفة مهمة في فهم كوننا، وتتحكم قيمهما المضبوطة بدقة في التفاعلات النووية مثل تحلل البروتون والتوليف النووي في النجوم، ويوفر التوازن بين الرقمين "منطقة صالحة للسكن" حيث يمكن للنجوم والكواكب أن تتشكل ويمكن أن تظهر الهياكل الجزيئية الداعمة للحياة.
ومع ذلك، تشير النتائج الجديدة إلى أن هذين الثابتين يمكن أن يكون لهما تأثيرا على المجالات العلمية الأخرى، مثل علم المواد وفيزياء المادة المكثفة، من خلال وضع حدود لخصائص معينة للمواد مثل سرعة الصوت.
واختبر العلماء تنبؤاتهم النظرية على مجموعة واسعة من المواد وتناولوا تنبؤًا واحدًا محددًا لنظريتهم بأن سرعة الصوت يجب أن تنخفض مع كتلة الذرة.
ويشير هذا التنبؤ إلى أن الصوت هو الأسرع في الهيدروجين الذري الصلب، ومع ذلك، فإن الهيدروجين مادة صلبة ذرية عند ضغط عالٍ جدًا فوق 1 مليون ضغط جوي فقط، وهو ضغط مماثل لتلك الموجود في قلب عمالقة الغاز مثل كوكب المشتري.
وعند هذه الضغوط يصبح الهيدروجين مادة صلبة معدنية رائعة موصلة للكهرباء تمامًا مثل النحاس ومن المتوقع أن يكون موصلًا فائقًا في درجة حرارة الغرفة.
لذلك، أجرى الباحثون أحدث حسابات ميكانيكا الكم لاختبار هذا التوقع ووجدوا أن سرعة الصوت في الهيدروجين الذري الصلب قريبة من الحد الأساسي النظري.
ويقول الدكتور كريس بيكارد، أستاذ علوم المواد بجامعة كامبريدج: "إن الموجات الصوتية في المواد الصلبة لها بالفعل أهمية كبيرة في العديد من المجالات العلمية، فعلى سبيل المثال، يستخدم علماء الزلازل الموجات الصوتية التي بدأتها الزلازل في أعماق باطن الأرض لفهم طبيعة الزلازل الأحداث وخصائص تكوين الأرض، كما أنها تهم علماء المواد لأن الموجات الصوتية مرتبطة بخصائص مرنة مهمة بما في ذلك القدرة على مقاومة الإجهاد".
