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수소 고체에서 최고 속도 초당 36km가 한계. 공기중에서 약 초당 340m.
두 개의 자연 상수, 즉 미세구조상수와 양성자-전자의 질량비로 계산.
블랙홀, 지진학 및 재료 연구에 유용한 연구결과.

음파는 고체에서 얼마나 빨리 달릴 수 있을까?
처음으로 과학자들이 최고 음속을 정했다.

금속성 수소에서 가장 빠름 :
연구자들은 처음으로 음속의 상한을 결정했다.
이것은 초당 약 36km이고 작은 원자와 고밀도를 가진 고체에서 달성된다.
예를 들어 목성의 핵에는 금속 수소가 있다. 과학자들은 이 소리의 최대값이 아직 측정되지 않았기 때문에 두 개의 자연 상수의 도움으로 이것을 계산했다.

▲ 공기중에서 음파의 속도는 약 초속 340m 이다. 음속에 가까운 미 해군 F / A-18. 백색 후광은 항공기 주변의 쇽콘 뒤에서 갑작스런 기압 강하로 형성된 응축된 물방울이다. http://www.news.navy.mil/management/photodb/photos/990707-N-6483G-001.jpg

우리는 알버트 아인슈타인 이후로 빛의 속도를 알게 됐다.
그 덕분에 빛보다 더 빠른 것은 없다는 것을 모두 알고 있다.
그러나 소리의 경우 간단하지 않다. 음파가 전파되는 속도는 매체에 따라 결정적으로 달라진다는 것이 분명하다. 공기에서 소리는 대기의 온도, 압력 및 밀도에 따라 초당 약 340미터로 이동한다. 제트기가 그보다 더 빨리 날아가면 압축된 음파의 원뿔이 형태 뒤에 매달려 있다. 그 결과 충격파가 발생한다.

고체에서 소리는 기체 나 액체보다 훨씬 더 빠른 속도에 도달 할 수 있다.
예를 들어 레일 소리로 다가오는 기차를 먼저 들을 수 있고 그 다음에 공기 중으로 전해지는 소음이 들린다. 그러한 단단한 물질에 얼마나 빨리 소리가 들어갈 수 있는지는 지금까지 불분명했다. 고체에서 소리의 속도는 밀도와 탄성 특성에 따라 달라지며, 이는 원자의 유형과 결합 등에 의해 영향을 받는다.

▲ 고체에서 소리는 기체 나 액체보다 훨씬 더 빠른 속도에 도달 할 수 있다.

측정값으로 두 개의 자연 상수

최대 음속을 알아내기 위해 런던 퀸 메리 대학교(Queen Mary University of London)의 코스타 트라첸코(Kostya Trachenko)와 그의 동료는 최근 특이한 방법을 선택했다.
그들은 가능한 가장 빠른 소리 움직임을 추론하기 위해 두 개의 자연 상수만 사용한다.
첫 번째는 미세 구조 상수(Fine Structure Constant)다. 이것은 전자기 상호 작용의 강도를 나타낸다.
두 번째 상수는 양성자와 전자의 질량비.

▲ 그림 1 원자 질량의 함수로서 36개 원소 고체 (파란색)에서 실험적인 종 방향 음속. 실선은 Eq의 플롯입니다.. 빨간색 다이아몬드는 음속의 상한을 나타낸다. 점선은 실험 데이터 포인트에 적합. 질량을 증가시키는 순서대로 고체는 다음과 같습니다 : Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ge, Y, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Th 및 U. 자료:관련 논문 Fig.1

“이 두 상수와 그 사이의 균형은 별의 양성자 붕괴 또는 핵 합성과 같은 핵 반응을 형성하여 탄소와 같은 필수 생화학 원소의 생성으로 이어진다. 이러한 상수는 또한 분자와 전체 행성의 형성에 중요한 역할을 한다.”

최고 속도 36km/sec

그러나 Trachenko와 그의 팀은 다음과 같이 설명하고 있다.
“우리는 미세 구조 상수와 양성자-전자 질량 비율의 단순한 조합이 응축 물질의 주요 특성에 대해 예상치 못한 특정 의미를 갖는 또 다른 차원이 없는 숫자를 생성한다는 것을 보여준다. 소리가 고체와 ​​액체를 통과하는 속도.”물리학자들은 일련의 계산을 사용하여 다양한 고체에서 소리의 속도를 도출했다.

▲ 그림 2 시스템 번호의 함수로서 주변 조건에서 124개의 고체(원)와 9개의 액체 (다이아몬드 점)에서 실험적인 종 방향 음속. 자료:관련논문 Fig.2

결과 :
고체의 음속은 초당 약 36km보다 빠를 수 없다.
이것은 다이아몬드에서 이전에 측정된 음속보다 약 2배 빠르다.
그러나 소리는 극한 조건에서만 최대 속도에 도달할 수 있다. 수소를 사용하면 고체 금속이 된다. 이러한 조건은 목성과 같은 거대 가스의 핵심에서 찾을 수 있다.

▲ 그림 3 압력(위쪽)과 밀도(아래)의 함수로 계산된 원자 수소의 음속. 자료: 관련 논문 Fig.3

지진학 및 재료 연구에 유용

"고체의 음파는 많은 과학 분야에서 매우 중요하다.“
케임브리지 대학의 공동 저자 크리스 피카르드(Chris Pickard)는 말한다. "예를 들어 지진 학자들은 지진에 의해 생성된 음파를 사용해 지진 현상의 특성과 지구 내부의 구성을 연구한다." 소리는 재료의 탄성 속성과 저항에 대해 많은 것을 보여주기 때문에 재료 연구자에게도 유용하다.

"우리는 연구 결과가 점도 및 열전도율과 같은 다른 특성의 한계를 찾고 이해하는 데 도움이 될 것이라고 믿는다"고 Trachenko는 덧붙인다. "그것은 고온 초전도, 쿼크-글루온 플라즈마, 심지어 블랙홀의 물리학 연구에 도움이 될 것이다.“
(Science Advances, 2020; doi : 10.1126 / sciadv.abc8662)

출처 : Queen Mary University of London

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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