光速最快可以达到每秒30万公里，那么音速呢？它有上限吗？

在这个宇宙中，没有什么可以比光的速度更快，这是爱因斯坦的相对论告诉我们的。

我们都很熟悉这种说法，以至于说的时候经常忽略一个前提：真空。在不同的介质中，光的传播速度是不同的。只有在没有介质的真空之中，光才可以达到这个极限。如果是在水中，光的速度无法达到这么快，在不透明固体中甚至无法传播。

除了光速之外，我们还经常提到音速。和光速相反的是，声音一般在固体中传播速度更快一些，在液体次之，空气中更慢，在没有介质的真空之中无法传播。

二者的本质都是波，却有着截然相反的性质，这是因为它们属于不同的波：光属于电磁波，声属于机械波。机械波必须依赖介质进行传播，而电磁波则不喜欢介质来阻碍自己前进。我们可以粗略地理解为：随着介质刚性的增加，电磁波传播越困难，而机械波则更容易传播。

真空就是电磁波速度的极限环境，因为我们可以说真空的刚性是0，不可能更小了。而音速则不同，我们可以知道它的速度下限，那就是真空中的0。我们也知道它在空气中（15℃）的传播速度，一般取340米每秒。我们通常说的音速指的就是声音在地表大气中的传播速度，比如所谓的超音速，不过本文中我们不特指某个环境。那么问题来了：音速是否有上限呢？

飞机超音速瞬间产生的音爆现象

既然音速在不同的介质中传播的速度不同，理论上来说，我们就必须测试音速在所有介质中的传播速度，然后取最快的一个。显然，这是不可能的，因为我们也不知道宇宙中有多少种物质，它们有多少种状态。因此，在很长一段时间里，声音的速度极限一直是困扰科学家们的难题。

我们已经知道了声音在一些固体中的传播速度，比如在20℃的铁中，传播速度约为每秒5130米；在花岗岩中，声音的传播速度可达6000米每秒；在金刚石中，声音则可以获得极快的速度，大约是每秒18000米。

这些数据对于科学家们来说非常重要，甚至成为了进行其他研究的参考。在地震的时候，我们也可以利用这些数据研究地球的内部结构。或者在太空之外，它可以帮助我们研究其他星球。可是，如果有些物质不在地球上，我们该如何求出声音在其中的传播速度呢？

虽然我们不可能将所有的物质都拿来一一测试，但是物理学的一些成果和基本数据，还是可以帮助我们从理论上推算出音速的上限。来自伦敦玛丽皇后大学、英国剑桥大学和俄罗斯高压物理研究所的科学家团队发现，声音的速度实际上取决于两个基本常数，一个是精细结构常数，一个是质子和电子的质量比。

精细结构常数的来历说来话长，简单解释一下，它是一个无量纲常数，也就是说它没有任何物理单位，或者说物理单位就是1。精细结构常数α=e2/(4πε0c)，其中e是电子的电荷，ε0 是真空介电常数， 是约化普朗克常数，c 是真空中的光速，最终计算结果是α≈137。

质子和电子的质量比很好理解，只要用二者的静止质量做除法就可以。

该科学团队在论文中指出：“精细结构常数和质子-电子质量比的微妙数值，以及二者之间的平衡，决定了恒星内部质子衰变和核合成等核反应，最终也促成了包括碳在内的基本化学元素的出现。这种平衡在宇宙空间提供了一个‘宜居范围’，允许恒星和行星的形成，也能够让支持生命的分子结构出现。我们的研究表明：精细结构常数和质子-电子质量比可以简单组合成为另一个无量纲的物理量，而这个量又对另一个重要的属性有着意想不到的特殊意义，这个属性就是波、或者说音速在固体和液体之中的传播速度。”

说了这么多，该团队最终得到的音速极限到底是怎么算出来的呢？

实际上，他们最终得到了一个音速的方程。推导过程比较复杂，我们就不赘述了，最后得到的音速极限等于精细结构常数乘以1/2质子-电子质量比的开平方再乘以光速，数学表达式为：

最后的计算结果是：音速的极限大约是每秒36公里，几乎是声音在金刚石中传播速度的2倍。

为了证明他们方程是否准确，研究团队对大量的固体和液体进行了测试，结果音速都符合这个方程。

他们还进行了另一个方式的验证：研究团队认为，音速会随着原子质量的增加而减小，那么它的极限速度就不会超过在质量最小的原子——氢原子中的传播速度。当然，为了传播得更快，他们测试的必须是生活中不可能见到的固体氢，这就要求其压力超过地表大气压100万倍，也就是1000兆帕的压强，才能将平时成气态的氢压缩为固态。

该团队并没有直接利用固态氢来进行测试，而是基于250到1000兆帕下固态氢的属性进行了相关的计算。结果表明，他们的方程依然成立。

至少从目前来看，该团队推导出来的方程还是一直适用的。如果在未来它依然能够不断地得到验证，那么我们就基本可以确定自己又掌握了一项物理学研究利器。甚至，在这次研究的成果之上，科学家们还可以更好地研究这个宇宙。

伦敦玛丽女王大学的物理学家Kostya Trachenko指出：“我们相信，这次研究的成果可以在科学领域有更加广泛的应用，比如它可以帮助我们寻找并理解与高温超导性、夸克-胶子等离子体甚至黑洞物理相关的各种性质的极限，像粘度、热导率等等。”

我们有句古话，叫做“授人以鱼不如授人以渔”。在以往，科学家们计算音速都是“鱼”，而这一次的方程很可能就是那个“渔”。如果它真的被证明是正确的，那么我们将会对宇宙有更加深入的了解。