音速是多少(音速是多少米每秒)

在這個宇宙中，沒有什么可以比光的速度更快，這是愛因斯坦的相對論告訴我們的。

我們都很熟悉這種說法，以至于說的時候經常忽略一個前提：真空。在不同的介質中，光的傳播速度是不同的。只有在沒有介質的真空之中，光才可以達到這個極限。如果是在水中，光的速度無法達到這么快，在不透明固體中甚至無法傳播。

除了光速之外，我們還經常提到音速。和光速相反的是，聲音一般在固體中傳播速度更快一些，在液體次之，空氣中更慢，在沒有介質的真空之中無法傳播。

二者的本質都是波，卻有著截然相反的性質，這是因為它們屬于不同的波：光屬于電磁波，聲屬于機械波。機械波必須依賴介質進行傳播，而電磁波則不喜歡介質來阻礙自己前進。我們可以粗略地理解為：隨著介質剛性的增加，電磁波傳播越困難，而機械波則更容易傳播。

真空就是電磁波速度的極限環境，因為我們可以說真空的剛性是0，不可能更小了。而音速則不同，我們可以知道它的速度下限，那就是真空中的0。我們也知道它在空氣中（15℃）的傳播速度，一般取340米每秒。我們通常說的音速指的就是聲音在地表大氣中的傳播速度，比如所謂的超音速，不過本文中我們不特指某個環境。那么問題來了：音速是否有上限呢？

飛機超音速瞬間產生的音爆現象

既然音速在不同的介質中傳播的速度不同，理論上來說，我們就必須測試音速在所有介質中的傳播速度，然后取最快的一個。顯然，這是不可能的，因為我們也不知道宇宙中有多少種物質，它們有多少種狀態。因此，在很長一段時間里，聲音的速度極限一直是困擾科學家們的難題。

我們已經知道了聲音在一些固體中的傳播速度，比如在20℃的鐵中，傳播速度約為每秒5130米；在花崗巖中，聲音的傳播速度可達6000米每秒；在金剛石中，聲音則可以獲得極快的速度，大約是每秒18000米。

這些數據對于科學家們來說非常重要，甚至成為了進行其他研究的參考。在地震的時候，我們也可以利用這些數據研究地球的內部結構。或者在太空之外，它可以幫助我們研究其他星球。可是，如果有些物質不在地球上，我們該如何求出聲音在其中的傳播速度呢？

雖然我們不可能將所有的物質都拿來一一測試，但是物理學的一些成果和基本數據，還是可以幫助我們從理論上推算出音速的上限。來自倫敦瑪麗皇后大學、英國劍橋大學和俄羅斯高壓物理研究所的科學家團隊發現，聲音的速度實際上取決于兩個基本常數，一個是精細結構常數，一個是質子和電子的質量比。

精細結構常數的來歷說來話長，簡單解釋一下，它是一個無量綱常數，也就是說它沒有任何物理單位，或者說物理單位就是1。精細結構常數α=e2/(4πε0c?)，其中e是電子的電荷，ε0 是真空介電常數， ?是約化普朗克常數，c 是真空中的光速，最終計算結果是α≈137。

質子和電子的質量比很好理解，只要用二者的靜止質量做除法就可以。

該科學團隊在論文中指出：“精細結構常數和質子-電子質量比的微妙數值，以及二者之間的平衡，決定了恒星內部質子衰變和核合成等核反應，最終也促成了包括碳在內的基本化學元素的出現。這種平衡在宇宙空間提供了一個‘宜居范圍’，允許恒星和行星的形成，也能夠讓支持生命的分子結構出現。我們的研究表明：精細結構常數和質子-電子質量比可以簡單組合成為另一個無量綱的物理量，而這個量又對另一個重要的屬性有著意想不到的特殊意義，這個屬性就是波、或者說音速在固體和液體之中的傳播速度。”

說了這么多，該團隊最終得到的音速極限到底是怎么算出來的呢？

實際上，他們最終得到了一個音速的方程。推導過程比較復雜，我們就不贅述了，最后得到的音速極限等于精細結構常數乘以1/2質子-電子質量比的開平方再乘以光速，數學表達式為：

最后的計算結果是：音速的極限大約是每秒36公里，幾乎是聲音在金剛石中傳播速度的2倍。

為了證明他們方程是否準確，研究團隊對大量的固體和液體進行了測試，結果音速都符合這個方程。

他們還進行了另一個方式的驗證：研究團隊認為，音速會隨著原子質量的增加而減小，那么它的極限速度就不會超過在質量最小的原子——氫原子中的傳播速度。當然，為了傳播得更快，他們測試的必須是生活中不可能見到的固體氫，這就要求其壓力超過地表大氣壓100萬倍，也就是1000兆帕的壓強，才能將平時成氣態的氫壓縮為固態。

該團隊并沒有直接利用固態氫來進行測試，而是基于250到1000兆帕下固態氫的屬性進行了相關的計算。結果表明，他們的方程依然成立。

至少從目前來看，該團隊推導出來的方程還是一直適用的。如果在未來它依然能夠不斷地得到驗證，那么我們就基本可以確定自己又掌握了一項物理學研究利器。甚至，在這次研究的成果之上，科學家們還可以更好地研究這個宇宙。

倫敦瑪麗女王大學的物理學家Kostya Trachenko指出：“我們相信，這次研究的成果可以在科學領域有更加廣泛的應用，比如它可以幫助我們尋找并理解與高溫超導性、夸克-膠子等離子體甚至黑洞物理相關的各種性質的極限，像粘度、熱導率等等。”

我們有句古話，叫做“授人以魚不如授人以漁”。在以往，科學家們計算音速都是“魚”，而這一次的方程很可能就是那個“漁”。如果它真的被證明是正確的，那么我們將會對宇宙有更加深入的了解。