Vận tốc âm thanh trong không khí – Sự khác biệt giữa vận tốc âm thanh và vận tốc ánh sáng

Tốc độ tối đa của âm thanh là bao nhiêu?

Nghiên cứu mới đây cho thấy sóng âm thanh có thể di chuyển với tốc độ lên tới 36 km/s, cao gấp đôi tốc độ âm thanh trong kim cương, vật liệu cứng nhất trên thế giới.

Theo Forskning, khám phá này sẽ hữu ích cho các nhà nghiên cứu, chẳng hạn những người chuyên đo nhiệt độ nước biển bằng tốc độ âm thanh hoặc chụp ảnh siêu âm.

Để tìm ra vật liệu mà âm thanh truyền qua với tốc độ nhanh nhất, các nhà khoa học đã thực hiện một loạt phép tính. Họ phát hiện ra rằng sóng âm thanh truyền nhanh nhất trong hydro rắn.

Theo tính toán, tốc độ âm thanh trong hydro rắn gần với giới hạn tối đa lý thuyết là 36 km/s.

Tốc độ âm thanh trong hydro rắn gấp 100 lần tốc độ âm thanh truyền trong không khí, vào khoảng 340 m/s.

Sóng âm là sự dao động hoặc thay đổi áp suất khiến năng lượng di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Sóng có thể xuất hiện trong nhiều môi trường khác nhau, chẳng hạn như không khí hoặc nước, và tốc độ của âm thanh phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của chúng.

“Dữ liệu về sóng âm trong chất rắn và chất lỏng rất quan trọng đối với nhiều lĩnh vực – cả khoa học và thực tiễn”, Per Lunde, giáo sư vật lý và công nghệ tại Đại học Bergen cho hay,

Sóng âm thanh được đo để tạo ra hình ảnh siêu âm của các cơ quan nội tạng, dự đoán vị trí động đất và nghiên cứu và lập bản đồ các lớp bên trong của mặt trời.

Nếu âm thanh nhanh bằng vận tốc ánh sáng, chuyện gì xảy ra?

Nếu như âm thanh nhanh bằng vận tốc ánh sáng thì có thể kéo theo thảm họa không ngờ.

Theo các nhà khoa học, so với ánh sáng có vận tốc lên tới 300.000 km/ giây, sóng âm lại cực kỳ chậm chạp trong không khí với vận tốc chỉ là 0,3 km/giây. Đây cũng là lý do khiến chúng ta thường nhìn thấy sét trước khi nghe được tiếng sấm.

Vậy, câu hỏi đặt ra là điều gì sẽ xảy ra nếu vận tốc âm thanh đột ngột tăng nhanh gấp một triệu lần, tức là bằng tốc độ ánh sáng?

Với tình huống này, đương nhiên chúng ta sẽ nhìn thấy cả tia sét và nghe được tiếng sấm vào cùng một lúc. Thế nhưng tia sét khi đó cũng trông rất kỳ lạ. Điều đó tạo ra các khu vực có mật độ cao hơn và thấp hơn trong sóng.

Chẳng hạn, hình dung về lò xo cầu vồng là một minh chứng. Cụ thể, khi chiếc lò xo này di chuyển, các vòng dây sẽ liên tục chụm vào nhau và sau đó lại bung ra. Sóng âm cũng tương tự như vậy. Theo đó, khi ở tốc độ chậm, sự thay đổi mật độ là không thể nhận thấy. Tuy nhiên, ở tốc độ của ánh sáng thì đó lại là một câu chuyện khác.

Theo Giáo sư vật lý George Gollin tại ĐH Illinois tại Urbana-Champaign, trong cơn giông, không khí sẽ trở nên rất ẩm, khi đó sóng âm đi qua và áp chặt mọi thứ và sau đó lan rộng ra, áp suất cũng giảm đi rất nhiều. Vì áp suất tương ứng với nhiệt độ, nên việc áp suất không khí bị giảm đột ngột sau tiếng sấm sẽ khiến cho không khí ẩm bị đóng băng. Chính vì thế, chúng ta sẽ nhìn thấy tia sét xuyên qua một lớp sương mù dày đặc của các tinh thể băng.

Tốc độ cực nhanh sẽ làm thay đổi hoàn toàn âm thanh trong thế giới của chúng ta. Theo Giáo sư Gollin, chẳng hạn giọng nói sẽ có cao độ lớn tới mức không thể nghe thấy, rất khác thường.

Nếu âm thanh di chuyển nhanh hơn trong không khí, nó sẽ thay đổi cách mà các sóng cộng lại với nhau. Điều này làm cho một số tần số lớn hơn, đồng thời các tần số khác yên tĩnh hơn. Trong sóng âm thanh, tần số tăng kéo theo cao độ tăng, do đó, giọng nói của con người sẽ trở nên rất kỳ quặc.

Để biết con người sẽ nghe như thế nào trong một nơi mà tốc độ âm thanh di chuyển cực nhanh, hãy tưởng tượng bạn sẽ phát ra âm thanh ra sao sau khi hít phải khí heli.

Giáo sư William Robertson, nhà nghiên cứu tại khoa vật lý và thiên văn tại ĐH Bang Middle Tennessee, cho biết, việc hít phải khí heli sẽ khiến giọng nói của con người giống với nhân vật hoạt hình. Nguyên nhân là vì sóng âm sẽ di chuyển nhanh gấp 3 lần nếu đi qua heli nguyên chất. Đặc biệt, nếu âm thanh có tốc độ di chuyển lớn hơn một triệu lần thì kết quả sẽ còn ấn tượng hơn.

Âm thanh tăng tốc đột ngột và thay đổi không ngờ?

Giáo sư Robertson cho biết thêm, nếu tốc độ âm thanh đột ngột tăng nhanh, nó sẽ tàn phá cả dàn nhạc. Thực tế các loại nhạc cụ hơi cũng hoạt động tương tự như dây thanh đới của con người. Cụ thể, khi âm thanh di chuyển qua lại ở bên trong khoang của kèn oboe hoặc kèn trumpet, nó sẽ tạo ra sóng dừng.

Nếu âm thanh đột ngột tăng nhanh bằng với vận tốc ánh sáng thì sẽ tàn phá cả dàn nhạc. Ảnh: Reuters

Những sóng dừng này lại hoạt động giống như những sợi dây thừng nặng được gắn vào tường tại phòng tập gym.

Khi một người lắc chúng đủ mạnh thì các sóng này sẽ bắt đầu dao động lên xuống mà dường như không truyền dọc qua sợi dây. Khi các sợi dây bị lắc ngày càng nhanh thì số lượng sóng hay tần số cũng tăng lên. Tương tự thì khi sóng âm sinh ra từ thanh quản của người tăng tốc độ, chúng sẽ tăng tần số.

Theo Giáo sư Robertson, con người theo đó cũng sẽ phải thiết kế lại nhạc cụ hơi dài gấp 1 triệu lần nhằm giữ cho chúng đồng điệu với đàn cello và vilon. Bởi vì khi vận tốc âm thanh di chuyển trong không khí thay đổi thì tốc độ của âm thanh truyền trong dây vẫn còn giữ nguyên.

Thế nhưng, theo các chuyên gia này, con người lại không thể sống sót để trải qua những thay đổi ngoạn mục này. Nguyên nhân là ngay cả một tiếng sáo nhẹ cũng có thể khiến cho mọi thứ ở xung quanh bị nổ tung thành những mảnh vụn.

Giáo sư Gollin nhận định, ánh sáng truyền đi trong sóng điện từ. Không phải cấu tạo từ vật chất nhưng sóng âm là sóng cơ học, bao gồm các hạt va chạm vào nhau. Đặc biệt, một phân tử di chuyển với vận tốc ánh sáng sẽ có “năng lượng gần như vô hạn”.

Khi đó, sóng âm sẽ nổ xuyên qua mọi hạt mà nó gặp phải. Điều này khiến các electron bị văng ra, tạo ra một cơn mưa vật chất và phản vật chất. Đây là loại hạt được tạo ra trong các vụ ca chạm với tốc độ cực cao, mang những đặc tính trái ngược với vật chất. Những tác động khi đó sẽ trở nên vô cùng ngoạn mục.

Vậy, nếu bay bằng tốc độ ánh sáng thì chuyện gì sẽ xảy ra?

Nếu bay với tốc độ ánh sáng, con người có thể trở về quá khứ. Thế nhưng, để làm được điều này, con người cần một phi thuyền có thể di chuyển gần nhanh như vận tốc ánh sáng.

Theo thuyết tương đối của Einstein, chúng ta càng đi nhanh qua không gian thì càng lướt chậm hơn về mặt thời gian.

Giả sử bạn đang ở trong phi thuyền có khả năng di chuyển ở 99,9% vận tốc ánh sáng tới ngoại hành tinh với khả năng tồn tại sự sống nằm cách Trái Đất 40 năm ánh sáng, bạn tìm thấy một số dạng sống nguyên thủy và sau đó bay trở về Trái Đất để chia sẻ phát hiện này.

Tuy nhiên, cuối cùng khi trở về tới Trái Đất, bạn sẽ thấy tất cả các đồng nghiệp của mình giờ đây đã rất già. Trong khi từ nhận thức, bạn mới chỉ đi khoảng 2 năm. Thế nhưng với mọi người trên Trái Đất, bạn đã đi được 80 năm. Hiện tượng này có tên gọi là hiệu ứng sự giãn nở của thời gian.

Thực tế, hiện tượng này ít có khả năng xảy ra với bạn. Nguyên nhân là du hành ở vận tốc ánh sáng chưa phải là điều khả thi với công nghệ hiện nay, dù có lý thuyết nghiên cứu.

Việc tăng tốc tàu du hành ở tốc độ ánh sáng sẽ tạo ra lực ly tâm khổng lồ. Lực này cũng sẽ xé rách cơ thể bạn trước khi bạn đạt gần tới vận tốc ánh sáng.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn còn có một cách khác để có thể du hành ngược thời gian. Đó là lỗ sâu.

Theo nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Albert Einstein đưa ra dự đoán rằng những đường hầm giả thuyết này nối hai địa điểm riêng biệt và ở hai thời điểm khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là lỗ sâu vô cùng nhỏ và chỉ có đường kính bằng một phần triệu tỷ của một centimet. Do đó, không người nào có thể chui qua. Nếu có thể chiếm được một lỗ sâu, chúng ta có thể phóng to nó.

Tuy nhiên, lỗ sâu cũng có vấn đề riêng. Đó là chúng tồn tại trong thời gian rất ngắn. Vì vậy, du hành về quá khứ sẽ tạo ra nghịch lý.

Thời gian thực tế là một đường thẳng và nó chỉ tiến về phía trước. Vì vậy, chúng ta chỉ có thể đi tới tương lai và không thể trở về để thay đổi quá khứ.

Nhà Albert Einstein cho rằng, vận tốc ánh sáng luôn không đổi, ngay cả trong mọi tình huống không gian và thời gian khác nhau. Theo thuyết tương đối hẹp của Einstein, không có gì trong vũ trụ có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Việc coi vận tốc ánh sáng như một hằng số đã tạo tiền đề để xây dựng không ít lý thuyết vật lý quan trọng, như mô hình vũ trụ sơ khai sau vụ nổ Big Bang.

***

Trên đây là nội dung bài viết giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về Vận tốc âm thanh trong không khí . Mọi thông tin trong bài viết Vận tốc âm thanh trong không khí – Sự khác biệt giữa vận tốc âm thanh và vận tốc ánh sáng đều được xác thực rõ ràng trước khi đăng tải. Tuy nhiên đôi lúc vẫn không tránh khỏi những sai xót đáng tiếc. Hãy để lại bình luận xuống phía dưới bài viết để đội ngũ biên tập được nắm bắt ý kiến từ bạn đọc.

Đăng bởi THCS Bình Chánh trong chuyên mục Tổng hợp