光在空气的传播速度,光速一秒绕地球几圈

首页 > 经验 > 作者:YD1662023-05-25 06:07:01

低垂的云层挂在地平线上。空气中似乎有电流在咝咝作响。突然,一道无声的闪电在天空裂开。整整4秒钟后,耳边才响起隆隆的雷声。

光在空气的传播速度,光速一秒绕地球几圈(1)

我们知道,光在空气中以每秒30万千米的速度传播,而空气中声波的传播速度只有每秒0.3千米。这就是为什么我们总是先看到闪电后听到雷声的原因。如果声速快100万倍——与光速相当时,会发生什么呢?

当然,雷声会在闪电到达你眼睛的那一刻准时到达你耳朵。但除此之外呢?

假如声速=光速

光是一种电磁波,传播的是电磁场自身的振动,所以即使在空无一物的真空,也能传播。声波则不然,声波传播的是实物粒子的振动。具体到空气,就是空气分子的振动。声波传来之时,前面的空气分子受到挤压,密度变高,产生一个临时的高压区;当压力过后,这个高压区膨胀开来,挤压后面的空气,产生新的高压区,自身却因膨胀压强降低,密度变小。如此循环,就产生了疏密相间的纵波,此即声波。在声波传播慢的时候,这种密度的变化是难以察觉的。但在声速接近光速的时候,则是另一回事了。

当声速很快,声波所过之处,局部空气的挤压和膨胀也会非常快速。空气受到快速挤压,温度会升得非常高,而在快速膨胀时,温度又会骤降。考虑到雷雨前,空气的湿度会很大,当温度骤降,里面的水蒸气就会凝结成冰晶。这意味着,你将透过浓密的冰晶雾气看到闪电的出现。这是不是怪阴森的?

光在空气的传播速度,光速一秒绕地球几圈(2)

声波通过原子之间的相互作用而传播,这限制了它的传播速度。

超快的声速还将完全改变我们习惯的声音。当我们说话的时候,我们的声带振动产生许多不同频率的声波。它们进入喉头,喉头对于我们起到一个声箱的作用。在那里,相同频率的声波相互叠加,产生振幅更大(相长)或振幅更小的(相消)的声波。于是,有些频率的声音从喉头出来,变得比原先更响,而有的则变得更轻。

如果声音在空气中传播得更快,就会改变声波的叠加方式,某些频率的声波本来叠加后变得更响,现在则可能变得更轻了,反之亦然。在声学中,频率对应音调,所以你将听到某些声音音调非常怪异。

事实上,一旦声速接近光速,事情比上面的描述还要糟糕得多。我们说过,声波传播的是实物粒子的振动。如果声速接近光速,那意味着实物粒子也要以接近光速振动。根据爱因斯坦的质能方程,一个接近光速运动的粒子所拥有的能量几乎是惊人的。它将轰毁它遇到的任何一个粒子,在碰撞中甚至产生正反物质。正反物质相互湮灭,又会产生高能光子,如此等等。在那样的世界里,即使是笛子轻轻一吹,也会把附近的东西炸成碎片。唉,人类是无法在那样的世界生存下来的。

声速在理论上的极限

如此看来,声速还是不要太快为好。那么,除了不可能超过光速,声速还有自身的极限吗?如果有,最快能达到多少?

我们都知道这样一个事实:声音在固体、液体和气体中传播的速度是不同的。例如,空气中的声速大约是340米/秒,水中的声速大约是1400米/秒,钢中的声速大约是5800米/秒。

由于声波是通过使相邻的粒子相互作用而传播的,因此它的传播速度往往取决于材料的密度、硬度等多种性质。密度或硬度大,意味着相邻原子之间距离小或作用力强,前面原子的振动可以更快地带动后面原子的振动,声波就可以传得更快。因此,在目前已知的所有材料中,钻石中的声速是最快的,因为钻石是最硬的材料。

由于现实中,材料的密度和硬度都有一定的极限,所以声速应该会有自身的极限。但极限声速到底是多少,直到最近才由一位英国物理学家计算出来,答案是大约每秒36千米——相当于光速极限的八千分之一,同时也是钻石中声速的两倍。

但这个极限声速只有在金属氢中才能实现。金属氢是理论上预言的一种比钻石更硬的材料。这种材料可能存在于像木星这样的气态巨行星的核心,因为制造金属氢,需要对气体氢施加一百万个以上的标准大气压。这个条件目前只有在巨行星的核心才具备。

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