この結果は、世界で最も硬い物質として知られるダイヤモンドの音速の約2倍にあたります。 音波は空気や水などさまざまな媒質を通過し、通過するものによって異なる速度で移動することができます。 たとえば、音波は液体や気体を伝わるよりも固体を伝わるほうがはるかに速く、そのため、列車が近づいてくるのを、空気中ではなく線路の中を伝わる音を聞くと、はるかに速く聞くことができます。
アインシュタインの特殊相対性理論では、波の伝わる絶対速度の限界を光の速度とし、それは毎秒約30万kmと同じです。 しかしこれまで、音波が固体や液体を伝わるときにも速度の上限があるかどうかは知られていませんでした。
学術誌『Science Advances』に掲載されたこの研究は、音速の上限を予測することが、微細構造定数と陽子・電子質量比という2つの無次元基本定数に依存していることを示しました。 この2つの数値は、星における陽子崩壊や核合成などの核反応を支配しており、この2つの数値のバランスが、星や惑星が形成され、生命維持に必要な分子構造が出現できる狭い「ハビタブルゾーン」を提供しているのだそうです。 しかし、この新しい発見は、この2つの基本定数が、音速のような特定の物質特性に制限を設けることによって、材料科学や物性物理学のような他の科学分野にも影響を及ぼしうることを示唆しています。
科学者たちは、幅広い材料で彼らの理論予測を試し、音速が原子の質量とともに減少するという彼らの理論のある特定の予測について取りあげました。 この予測は、固体の原子状水素の中で音が最も速くなることを意味する。 しかし、水素が原子状固体になるのは、木星のような巨大ガスの核に匹敵する100万気圧以上の非常に高い圧力下においてのみである。 この圧力では、水素は銅のように電気を通す魅力的な金属固体となり、室温超伝導体となることが予想されています。 そこで研究者たちは、この予測を検証するために最先端の量子力学計算を行い、固体の原子状水素の音速が理論的な基礎限界に近いことを発見しました。
ケンブリッジ大学材料科学教授のクリス・ピカード教授は、次のように語っています。 「固体の音波は、すでに多くの科学分野で非常に重要なものとなっています。 たとえば、地震学者は、地震現象の性質や地球組成の特性を理解するために、地球内部の深いところで地震によって発生する音波を利用しています。 また、音波は応力に対する抵抗力などの重要な弾性特性に関係しているため、材料科学者にとっても興味深いものです」
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