يعلم الجميع أن سرعة الصوت في الهواء تناهز 340 مترا في الثانية. لكن هل تعلم كم يبلغ أقصى سرعة ممكنة للصوت في الكون؟ إليك إجابة فريق من العلماء الفيزيائيين في دراسة علمية جديدة.
في الورقة المنشورة في دورية “ساينس أدفانس” Science Advances قام باحثون من المملكة المتحدة وروسيا بحساب السرعة القصوى للصوت، وأظهروا أنها تبلغ ضعف السرعة القصوى التي تم قياسها حتى الآن على الأرض.
سرعات مختلفة
من المعروف أن الصوت موجة ميكانيكية ناتجة عن اهتزاز في وسط ما، وعندما تنتقل الموجة عبره تتصادم جزيئاته مع بعضها البعض، وتحمل الطاقة أثناء انتقالها.
وكلما كان الوسط أكثر صلابة وازدادت صعوبة ضغطه، ينتقل الصوت بشكل أسرع. لذلك، يكون الصوت أبطأ في الغازات منه في السوائل ويكتسب سرعة أعلى في المواد الصلبة.
وهو ينتقل بالهواء في الظروف المحيطة بسرعة حوالي 340 مترا في الثانية، بينما تصل في الماء إلى حوالي 1500 متر في الثانية، وفي الحديد أكثر من 5000 متر في الثانية.
وفي مادة صلبة وذات كثافة عالية، مثل الماس، يمكن للصوت أن ينتقل بشكل أسرع.
وللموجات الصوتية بالمواد الصلبة أهمية كبيرة في العديد من المجالات العلمية، إذ تستخدم، على سبيل المثال، لدراسة باطن الأرض عندما تنتقل الموجات الصوتية الصادرة من الزلازل عبرها. كما يمكن استخدامها لفهم التركيبة الداخلية للنجوم.
ثوابت لقياس السرعة القصوى
لكن ماذا لو أردنا قياس أكبر سرعة ممكنة للصوت، مع الأخذ في الحسبان جميع المواد الموجودة في الكون؟ هنا، يستخدم العلماء طريقة مختلفة تعتمد على الثوابت الفيزيائيةن وهي كمية فيزيائية يعتقد عموما أنها ثابتة في الطبيعة ولا تتغير مع الزمن مثل سرعة الصوت.
وهذا ما استخدمه العلماء في الدراسة العلمية الجديدة، التي نقل نتائجها البيان الصحفي الصادر عن كوين ماري/جامعة لندن Queen Mary – University of London، في حساب الحد الأقصى لسرعة الصوت في الكون.
إذ استنتجوا لأول مرة أن الحد الأعلى لهذه السرعة يعتمد على كميتين، الأولى هي ثابت البنية الدقيقة، وهو ثابت فيزيائي لقياس شدة التأثر المغناطيسي بين الجسيمات الأولية المشحونة، والثانية نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون.
وتوصل الباحثون إلى حساب الحد الأعلى لسرعة الصوت في الكون بحوالي 36 كيلومترا بالثانية. ورغم أنها لا تبلغ سوى واحد على 10 آلاف مرة تقريبا من سرعة الضوء، فإنها تساوي ضعف أعلى سرعة للصوت على الأرض في معدن الماس بالغة حوالي 18 كيلومترا في الثانية.
تطبيقات متعددة
يقول الباحثون في ورقتهم إن “القيم المضبوطة بدقة لثابت البنية الدقيقة، ونسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون، والتوازن بينهما، تتحكم في التفاعلات النووية مثل تحلل البروتون وعمليات الاندماج النووي في النجوم، مما يؤدي إلى تكوين العناصر الكيميائية الحيوية الأساسية، بما في ذلك الكربون”.
ويضيف هؤلاء: كما يوفر هذا التوازن “منطقة صالحة للسكن” في الفضاء حيث يمكن للنجوم والكواكب أن تتشكل، وأن تظهر الهياكل الجزيئية الداعمة للحياة.
ولتأكيد معادلتهم، قام الفريق البحثي بقياس سرعة الصوت بشكل تجريبي في عدد كبير من العناصر الصلبة والسوائل، وتوصلوا إلى نتائج متوافقة مع تنبؤاتهم.
وبحسب الباحثين، فإن نتائج هذه الدراسة يمكن أن يكون لها المزيد من التطبيقات العلمية من خلال المساعدة في دراسة بعض خصائص الموصلات الفائقة بدرجات الحرارة العالية، مثل اللزوجة والتوصيل الحراري وفهم الحالة الفيزيائية لبلازما الجسيمات تحت الذرية، وفي تطوير فيزياء الثقوب السوداء.
