如果声速和光速一样快，这个世界会怎样？

如果声速和光速一样快，这个世界会怎样？

期权匿名回答 · 2023-2-12 07:57:02

这是一个很有意思的问题，我们可以从更深的层次来研究这个问题。先上结论吧，如果真是这样的话，我们连同这个世界的花草树木就都不存在了。
首先我们要理解的是，为什么声音会传播？声音是由物体的振动产生的，声音的传播，本质上是传播介质的相互作用，就跟多米诺骨牌一样，前面的推倒后面，最后波及到人。

我们知道，声音的传播跟介质的相互作用有关，而介质之间相互作用是需要的能量的，根据，我们用量纲分析法，介质的相互作用能量E对应的单位是，而速度v的量纲是，因此介质传播速度的量级应该是，这里M是介质对应原子的质量，一般根据元素周期表，原子的相对原子质量不超过几百，也就是几百个质子的质量，大约量级。
而根据玻尔电子模型，介质的能量，这里代表玻尔半径，也是电子绕原子转动的距离，一般为量级，因此固体介质的相互作用能量是电子伏量级，差不多量级，根据我上面的公式，介质传播速度。这个量级，差不多就是声音在固体中传播的量级了，很符合实际。
对于气体，因为物质间距太大，我们就不能用电子的能量了。不过学过热学，我们都知道气体分子热运动的能量和温度直接相关，差不多是的量级，k是玻尔兹曼常量。因为常温大约300k，能量差不多是量级，代入计算的结果就是，也和真实的速度300m/s很接近。
假设声速和光速一样快，也就是说固体速度要增大为原来的10万倍量级，气体速度则要增大为原来的100万倍量级。
如果是固体，我们不可能在原子的质量上去做文章，所以只能让E增大为原来的100亿倍，而我们又不可能改变电子的电荷量，所以唯一可能下手的，就是压缩原子之间的间距，让原子的间距减小到原先的100亿分之一，密度就要超过原先的，比中子星密度还大！当然这是不考虑相对论作用的情况，实际密度可能不需要这么大。
如果真的密度变得很大很大，世界会是怎么样子？首先，地球会因为自身巨大的引力，坍锁的很小，就像中子星一样。地球的半径会不到1毫米，低于对应的史瓦希半径（9毫米左右），地球会变成一个黑洞。

引力太大，我们人类和地球上其他的一些生命就不可能存活，我们也不用纠结是先听到闪电还是先接近雷声了，现在的我们都不存在了。
当然并不能说明这个世界就不会有生命，生命可能以另外一种方式存活，根据量子力学原理，微观世界里，能量E和时间t乘积，以及动量p和位置q乘积，都对应着普朗克常量。因为能量太大，这些生命的寿命会变得非常非常短；同时因为尺度太小，生命的速度也会变得非常非常快。
如果是气体的话，就更夸张了，要想让速度达到光速，速度就要变成原来的100万倍，不考虑相对论作用，温度就要上升为原来的一万亿倍，大约度，这样的温度，已经远远超过了太阳内部的温度，同样我们是不可能存在下去的。
不过，可以确定的一点，根据下面这篇PRL文章，声速只能逼近光速的倍，不可能和光速一样快的。所以，也不用去做这个假设了。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.031103

期权匿名回答 · 2023-2-12 07:56:32

哎呦那可麻烦大了。
声速的本质是压强作用下惯性质量（密度）引起的迟滞。
如果声速和光速同样快，声能在分子之间的传递仅取决于分子间电磁相互作用的速度（光速）。这意味着空气分子的质量为零——再推一步，气体只是物质的一种状态而不是一种独立物质，即惯性质量不存在……

期权匿名回答 · 2023-2-12 07:56:23

如果问题特指与“真空中的光速”一样快，那应该不可能在气体中实现。理想气体的声速上限是光速的根号三分之一（这个来自于相对论极限下，压强=能量密度/3，无论是费米、波色还是经典粒子气体都如此，这个学完本科热统后应该会算，而声速平方=压强对能量密度的偏导，所以此时声速为根号三分之一，以上讨论取真空光速为1。至于为何理想气体的声速上限要在相对论极限下取得，这是因为静质量对能量密度的加成显然地多过它对压强的加成，我们知道压强来自于粒子三维动量，极端考虑，如果所有粒子都静止，那么气体压强是0，但能量密度却随静质量增加，故而压强对能量密度的偏导必然在0质量粒子的气体中达到最大）。如果加上相互作用，如果相互作用是吸引的，那还会降声速，当吸引作用增强到一定程度，某些温度-密度下的气体的声速的平方值甚至会被降成负的，此时气体局部的疏密差将不再以声波的形式向外传播，而是会自发放大导致结团，直至完成疏密分相；如果相互作用是排斥的，取决于其具体形式我不敢打包票，但多半不会对声速上限有多大修正。固体中的声速上限我就完全不了解了。
如果问题是指声速与电磁波在介质中的传播速度一样快，这个应该可以有，比如高温等离子体里，由于德拜屏蔽光子会带一个正比于温度的质量，而如果等离子体内的带电粒子都是相对论性的，那声速很容易就跑赢长波光波。至于跑赢了会怎么样……好像也不会怎么样。

期权匿名回答 · 2023-2-12 07:56:15

如果比较声速和真空光速，那么声速是不可能超过真空光速的，因为声音的传播依赖于介质原子的相互作用，而相互作用的速度不会快过光速。
但在特殊情况下声速有可能能超过光速。
第一种情况是，比较介质中的声速和同一介质中的光速。在这种情况下，更好的问题是，是否存在一种介质其中声速超过光速。
光在介质中能否被声波超越？原则上将，这一点是可以做到的。目前利用一种叫做电磁感应透明的量子效应，光速可以被降到0，这已经在冷原子系统中实现。这里所谓的慢光速实际上是光与物质的混合态。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.033601
第二种情况是利用声波色散介质，这样可以造出超过真空光速的声波的群速度，甚至可以造出具有负的群速度的声波。
Sound beyond the speed of light: Measurement of negative group velocity in an acoustic loop filter

期权匿名回答 · 2023-2-12 07:55:58

事实上，声速有可能等于光速，至少在理论上是可行的。这个话题有时会出现在宇宙学的背景下。

宇宙学家喜欢把事情简单化。
对他们来说，几乎一切的东西都是完美的流体，可以用其压强和密度来表征，具体来说就是两者之比，即所谓的状态方程。巧合的是，如果将密度作为能量密度来测量的话，其单位（能量除以体积）与压强的单位（力除以面积）就变得完全相同（因为：能量=力×长度，体积=面积×长度)。所以它们的比值是一个没有单位的无量纲数。我们通常用字母来表示。
对于日常经验中的大多数东西来说，
宇宙学家只是淡淡地把这些东西称为“尘埃”。你是尘埃做的，地球是尘埃做的，甚至大部分星星也是尘埃做的。
但也有例外。
对于辐射，或者一种非常热的，粒子以接近光速运动的气体（即所谓的极端相对论气体），我们发现。想象一个内部由完美镜子组成的盒子，我们放一些光子进去让它们四处反弹时，它会推动盒子的侧面，即光是有压力的（辐射压）。事实证明，这个压强正好是其能量密度的1/3。

那的取值范围是多少呢？
之间的任何值都可以。
如果会导致宇宙不稳定，如果宇宙会违反因果律。
事实上，的情况是存在的，这是最大的负压，也是暗能量的定义。答主最近在以下回答中有进行过阐述：
宇宙膨胀还在加速，动力源泉在哪里？ - 知乎 (zhihu.com)

回到本题。
在宇宙学家的简单世界中，声速的计算也很简单：

其中是光速。
而刚才提到，在极端相对论气体中，，所以有

是的，即使在充满辐射的盒子里谈论声速也是有意义的，因为压强的变化甚至会在辐射介质（或极端相对论气体）中传播。

可以看出，如果有一种的“物质”存在的话，
就会有

即“声速=光速”。
这种介质被宇宙学家称为“硬介质”，它通常被认为是各种粒子或扩展引力理论的背景。
有的时候我们也管它叫做“时空”。
这意味着，如果有什么声音能以时空为介质传播的话，那这种声音的速度就能达到光速。
但常识告诉我们，声音是不能在真空中传播的。如果你在宇宙空间中，你什么也听不到。
除非
除非这种声音能让时空本身也发生搅动。
是的，引力波就是这样的“声音”，它真的以光速传播，并且与声音做着几乎同样的事情：使它们遇到的东西来回振动。
至于引力波的声音是什么样的可以参照答主以下回答：
如果我被引力波击中会怎样？ - 知乎 (zhihu.com)

如果声速和光速一样快，这个世界会怎样？

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