Khoa học tìm ra giới hạn trên của tốc độ âm thanh: 36 km/s

Dù là mang tính điện từ hay tính hấp dẫn, giới hạn tốc độ của bất kỳ loại sóng nào trong môi trường chân không vẫn cứ vậy, kể từ ngày Albert Einstein phát triển thành công thuyết tương đối hẹp hồi năm 1905. Tuy nhiên, khoa học chỉ vừa tính ra được tốc độ tối đa của âm thanh khi đi trong vật thể rắn hay lỏng: ta có con số 36 km/s, chậm hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không khoảng 8.000 lần. 

Để ra được kết quả này, giáo sư vật lý Kostya Trachennko và các cộng sự sử dụng hai hằng số nổi tiếng trong vật lý: tỷ lệ giữa khối lượng của proton với khối lượng của electron, bên cạnh đó là hằng số cấu trúc tinh tế chỉ ra độ lớn của tương tác giữa các hạt cơ bản mang điện. 

Trachenko nhận định rằng khoa học có nền móng khá vững chắc để tự tin vào độ chính xác của những hằng số vừa nêu, bởi lẽ nếu chúng chỉ xê dịch đôi chút, Vũ trụ này sẽ khác nhiều với hiện tại. “Nếu hằng số chỉ lệch vài phần trăm, proton sẽ mất tính ổn định, và có lẽ quá trình tổng hợp nguyên tố nặng diễn ra trong một ngôi sao cũng chẳng còn, nên ta sẽ không có cả carbon, chẳng có được sự sống”, giáo sư Trachenko nói.

Âm thanh là một thứ sóng được truyền trong vật chất nhờ hạt tương tác nhau, tốc độ của âm thanh phụ thuộc vào mật độ khối lượng (khối lượng riêng) của vật chất - tức là các nguyên tử tạo nên vật chất gần nhau, tương tác với nhau ra sao. Một nguyên tử có vận tốc tối đa, nên là tốc độ âm thanh bị giới hạn bởi đại lượng này.

Trachenko và cộng sự tận dụng sự thật này cùng tỷ lệ khối lượng của proton-electron, hằng số cấu trúc tinh tế để tính được tốc độ tối đa của âm thanh khi di chuyển qua chất lỏng hay chất rắn: trên lý thuyết, âm thanh có thể di chuyển ở vận tốc tối đa là 36 km/s.

“Chúng ta vẫn biết kim cương sẽ cho ra tốc độ truyền âm thanh lớn nhất, bởi lẽ chúng là vật liệu cứng nhất, nhưng ta không biết liệu có tồn tại giới hạn tốc độ trên mặt lý thuyết hay không”, giáo sư Trachenko nói. Nhóm nghiên cứu tính được rằng vận tốc tối đa này gần gấp đôi tốc độ âm thanh truyền đi trong kim cương.

Tốc độ âm thanh cũng phụ thuộc vào khối lượng của nguyên tử có trong vật chất, vậy nên các nhà nghiên cứu dự đoán rằng hydro kim loại rắn - một vật liệu tồn tại trên mặt lý thuyết, có thể có trong lõi của những hành tinh khổng lồ - là vật liệu truyền âm thanh nhanh nhất. Theo tính toán, âm thanh truyền đi trong hydro kim loại sẽ có vận tốc gần đạt giới hạn trên. Trong số 133 vật liệu được thử nghiệm, cũng không thứ nào có khả năng truyền âm với tốc độ nhanh hơn mốc 36 km/s.

Tuy nhiên, giáo sư Graeme Ackland công tác tại Đại học Edinburgh cho rằng những phép tính của Trachenko và cộng sự chưa tính được tốc độ tối đa của âm thanh. Ackland nêu ý kiến trái chiều: “Bạn có thể sử dụng hằng số cơ bản để ra được yếu tố nào đó của đơn vị tính vận tốc, nhưng chẳng có lý do nào cho thấy tồn tại một giới hạn tốc độ cả. Tôi chưa tin”.

Giáo sư Ackland cho rằng cần thêm thử nghiệm nữa, nhằm quan sát tốc độ của âm thanh di chuyển trong những nguyên tố nặng hơn nữa.

Theo GenK