Lập giới hạn trên của tốc độ âm thanh

Giáo sư Kostya Trachenko, tác giả chính của công bố. Nguồn:trường đại học Queen Mary London

Kết quả - khoảng 36 km mỗi giây – gấp khoảng hai lần tốc độ của âm thanh trong kim cương, vật chất rắn nhất trong thế giới.

Các sóng, như sóng âm thanh hoặc sóng ánh sáng, là những nhiễu loạn di chuyển năng lượng từ chỗ này sang chỗ khác. Sóng âm thanh có thể di chuyển thông qua các môi trường khác nhau như không khí hay nước, và di chuyển với những tốc độ khác nhau phụ thuộc vào việc chúng đang đi qua môi trường nào. Ví dụ, chúng di chuyển qua môi trường chất rắn nhanh hơn lúc chúng di chuyển qua chất lỏng và khí, vốn là điều giải thích tại sao chúng ta có thể nghe thấy tiếng của đoàn tàu đang đến nhanh hơn nhiều khi lắng nghe tiếng động truyền qua đường ra nhanh hơn qua không khí.

Thuyết tương đối hẹp của Einstein đã lập ra một giới hạn tốc độ tuyệt đối mà tại đó, một sóng có thể di chuyển bằng tốc độ ánh sáng, tương đương 300.000 km/s. Tuy vậy cho đến tận bây giờ thì chưa rõ là liệu sóng âm thanh có giới hạn trên hay không khi di chuyển qua môi trường chất lỏng và khí.

Nghiên cứu này, xuất bản trên tạp chí Science Advances, chứng tỏ là dự đón giới hạn trên của tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hai hằng số cơ bản không thứ nguyên: hằng số cấu trúc tinh tế (the fine structure constant) và tỉ lệ khối lượng proton trên electron.

Hai con số này đã được biết là đóng vai trò quan trọng trong hiểu biết về vũ trụ của chúng ta. Các giá trị mang tính chất tinh chỉnh của chúng có thể chi phối các phản ứng hạt nhân như phân rã proton và tổng hợp hạt nhân trong những ngôi sao và sự cân bằng giữa hai con số này cũng đem lại một “vùng có thể ở được” ở trên các ngôi sao và hành tinh, những nơi có thể hình thành và các cấu trúc phân tử hỗ trợ sự sống có thể xuất hiện. Bên cạnh đó, phát hiện mới cho thấy hai hằng số cơ bản này còn có thể ảnh hưởng đến những lĩnh vực khoa học khác, ví dụ như khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, bằng việc lập các giới hạn để những đặc tính đặc biệt của vật liệu như tốc độ của âm thanh.

Các nhà khoa học kiểm tra dự đoán lý thuyết của mình trên một phạm vi rất rộng các vật liệu và giải quyết được một dự doán cụ thể trong lý thuyết là tốc độ của âm thanh có thể giảm đi với khối lượng của nguyên tử. Dự đoán này ngụ ý rằng âm thanh đạt tốc độ di chuyển nhanh nhất trong nguyên tử hydro rắn, một nguyên tử rắn ở áp suất cao trên một triệu atmosphere, mức áp suất tương đương với áp suất trong lõi khí của những hành tinh như sao Mộc. Tại mức áp suất đó, hydro trở thành chất rắn kim loại đặc biệt với khả năng dẫn điện như đồng và được dự đoán là tại nhiệt độ phòng thì trở thành siêu dẫn. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các tính toán cơ học lượng tử để kiểm tra dự đoán này. Rút cục, họ tìm thấy là tốc độ của âm thanh trong nguyên tử hydro rắn gần với giới hạn cơ bản về lý thuyết.

Giáo sư Chris Pickard, giáo sư khoa học vật liệu tại trường đại học Cambridge, nói: “Sóng âm thanh luôn luôn tác động lớn lao đến nhiều lĩnh vực khoa họ. Ví dụ, các nhà địa chấn học sử dụng sóng âm thanh do những trận động đất ở sâu bên trong trái đất gây ra để hiểu về bản chất của các sự kiện địa chấn và những đặc tính của cấu tạo trái đất. Chúng cũng là mối quan tâm của các nhà khoa học vật liệu bởi sóng âm thanh liên quan đến các đặc tính đàn hồi quan trọng, bao gồm khả năng chống lại ứng suất từ những tác động bên ngoài như ngoại lực, thay đổi nhiệt độ”.