Jakou rychlostí se vlní zvuk? Kredit: CC0 Public Domain.
Zvukové nebo třeba světelné vlny putují prostorem a přenášejí energii z jednoho místa na druhé. Vlny zvuku mohou cestovat rozmanitým prostředím, například vzduchem či vodou. A podle povahy takového prostředí se mění i rychlost zvuku, který jím prochází. Například, zvuk typicky „prolétá“ mnohem rychleji pevnými materiály než kapalinami či plyny. Proto je vlak mnohem dřív slyšet z kolejí nežli z krajiny.
Kostya Trachenko.
Kredit:
Queen Mary University of London.
Einsteinova speciální teorie relativity zavádí absolutní limit pro rychlost světla, čili oněch slavných necelých 300 tisíc kilometrů za sekundu. Až dodnes ale nebylo jasné, zda existuje takový limit pro rychlost zvuku. Zásadní zvrat v tomto směru přinesl výzkum, který vedl Kostya Trachenko z britské Queen Mary University of London. Badatelé dospěli k závěru, že nejvyšší fyzikálně možná rychlost zvuku je zhruba 36 kilometrů za sekundu. To odpovídá asi dvojnásobku rychlosti zvuku v diamantu, čili extrémně tvrdém materiálu.
Podle Trachenka a spol. je horní limit rychlosti zvuku těsně spojený se dvěma bezrozměrnými základními fyzikálními konstantami. Jde o konstantu jemné struktury, která popisuje sílu elektromagnetické interakce a poměr hmotnosti protonu a elektronu. Nejde přitom o jen tak nějaké konstanty. Už jsme věděli, ž obě dvě hrají významnou roli ve fungování celého vesmíru. Teď jejich význam ještě vzrostl a zasahuje až do materiálových věd.
Queen Mary University of London, logo.
Badatelé testovali svoji teoretickou předpověď v řadě různých materiálů. Ověřovali především předpoklad, že rychlost zvuku klesá s rostoucí hmotností atomů v daném materiálu. Podle této předpovědi by měl zvuk být nejrychlejší v pevném atomárním vodíku. Takový vodík sice existuje jen v prostředí, kde panuje tlak asi tak 1 milionu atmosfér, tedy například v nitru plynného obra, jako je Jupiter, ale teoreticky to zkoumat můžeme. Trachenkův tým na to vypustil pokročilé rovnice kvantové mechaniky. Vyšlo jim, že se rychlost zvuku v takovém materiálu doopravdy blíží hornímu limitu, který předpověděli.
Výzkum bude mít značný přesah. Jak podotýká člen výzkumného týmu Chris Pickard z britské University of Cambridge, šíření zvukových vln v pevných materiálech je ve skutečnosti významné pro řadu odvětví. Například seismologové pečlivě sledují vlny zvuku, které se šíří nitrem planety, zatímco materiáloví vědci využívají zvukové vlny při analýze vlastností materiálů.
Literatura
Queen Mary University of London 9. 10. 2020.
Science Advances 6: eabc8662.
