对于某些特殊介质下的声速，我们需要考虑相对论效应吗？对于频率很高的声波，需要考虑量子效应吗？
我们来聊聊在特定环境下，声音的传播速度，以及是不是需要搬出那些高大上的理论来解释。
相对论与声速：什么时候会“动真格”？
首先，要明确一点：我们平时听到的声音，比如说话声、音乐声，它的速度是多少？大概是每秒340米左右。这是一个我们生活中可以直观感受到的速度。而相对论，特别是狭义相对论，它主要关注的是物体的运动速度接近光速（每秒30万公里）时产生的效应。
那么，我们能不能让声音的速度“飙升”到相对论要出手管的程度呢？
想象一下，我们能让介质（比如空气、水或者其他什么奇奇怪怪的东西）以一个接近光速的速度在运动，同时在这个高速运动的介质中，又发出声波。这时候，声速的计算就不是简单的“介质中的声速 + 介质速度”了。
这里面有几个关键点：
1. 声速的本质： 声速本质上是介质中粒子振动的传播速度。介质本身在运动，它的“固有”振动速度（也就是声速）也会受到整体运动的影响。
2. 相对论的速度叠加： 当物体（这里是声波）在一个也在运动的参考系中传播时，我们要用相对论的速度叠加公式来计算它相对于另一个参考系的速度。这个公式和我们牛顿力学里的简单相加是不同的，尤其是在速度接近光速时。
3. 介质的相对论效应： 如果介质本身是以接近光速的速度在运动，那么介质的内部结构、粒子之间的相互作用，甚至介质的“质量”都会因为相对论效应而发生变化。比如，会发生长度收缩、时间膨胀等现象。这些变化反过来又会影响介质的弹性模量和密度，而这些正是决定声速的关键因素。
举个例子：
假设我们在一个飞船里，飞船以接近光速的速度前进。我们在飞船里对着飞船的空气（假设足够稳定）发出一个声波。
从飞船内部观察： 你测量到的声速，可能是你熟悉的那个数值，比如340米/秒。因为你和介质、以及声波都在同一个参考系里。
从外面静止的观察者（比如在地球上）来看： 这个声波的速度就复杂了。它不再是简单的“340米/秒 + 飞船速度”。你需要用相对论的速度叠加公式来计算。而且，飞船高速运动本身也会让飞船的“长度”在外界看来变短，空气的“密度”也可能有所变化，这些都会影响声波的传播。
所以，什么时候需要考虑相对论？
当介质本身的运动速度，或者在其中传播的“声波”的“有效速度”（这个概念比较微妙，因为声波是介质的振动）接近光速时。
在天体物理学等领域，比如超新星爆发、中子星碰撞等极端情况下，形成的等离子体或者其他介质，其粒子运动速度可能极高，这时候讨论其中的“声学”现象，就不得不考虑相对论效应。
在我们的日常经验和绝大多数工程应用中，介质的速度远低于光速，所以相对论效应对于声速的影响几乎可以忽略不计，可以完全用经典的牛顿力学来描述。
高频声波与量子效应：真的会“像素化”吗？
接下来聊聊高频声波和量子效应。
首先，我们理解的“高频声波”是指频率非常高的声音，比如超声波（高于20kHz）。但即使是最高频率的超声波，与量子力学所关注的微观粒子（如电子、光子）的量子行为相比，还是属于宏观范畴。
量子效应通常发生在什么情况下？
1. 尺度极小： 作用的范围在原子、分子甚至亚原子级别。
2. 能量极低或极高： 能量级别与普朗克常数（h）相乘的频率（E=hν）处于同一数量级，或者粒子的动能非常低，使得其德布罗意波长可以与障碍物的尺寸相当。
3. 粒子数极少： 体系中只有少数几个粒子，或者需要精确描述单个粒子的行为。
声波的本质是什么？
声波本质上是介质中大量粒子（原子、分子）的集体振动。即使是频率非常高的声波，也是亿万个粒子的协调运动。
那么，高频声波是否会“触碰到”量子效应的边界？
理论上，如果我们把声音的载体——介质中的粒子——看作是量子力学的对象，那么它们的振动本身就遵循量子力学的规则。比如，一个分子中原子核和电子的振动，其能量是量子化的。
但是，问题在于“集体行为”和“集体效应”：
大量粒子的平均行为： 声波的传播是大量粒子集体运动的宏观表现。即使单个粒子的位置和动量存在不确定性（量子力学的不确定性原理），当有海量的粒子参与进来，形成一个宏观的振动波时，这种不确定性会被平均掉，使得声波的整体传播可以用宏观的波动方程（如波动方程）来描述。
能量量子化与声波传播： 介质中的声学模式（声子）的能量确实是量子化的。就像光有光子一样，声波也有“声子”这个概念。声子是描述晶格振动的准粒子。在量子声学中，可以讨论声子的产生、湮灭、散射等。
什么时候可能需要考虑？
极低的温度： 当介质被冷却到接近绝对零度时，粒子的热运动变得非常微弱，量子效应会更加显著。例如，在低温下的超流氦中，声波的行为就表现出一些奇特的量子特性，比如“第二声”。
极高的频率或极小的尺度： 如果我们试图研究发生在极其微小尺度上的、频率极高的声学现象，比如在纳米结构中，声波的波长可能接近物质的量子相干长度，或者在极高频率下，单个声子的能量变得显著。这时，讨论单个声子的行为，或者声子与电子之间的量子耦合，可能就需要量子力学的工具。
特定材料或现象： 在某些量子材料中，声子扮演着重要的角色，影响着电子的输运、磁性等性质。研究这些相互作用时，就需要考虑声子（以及介质粒子）的量子行为。
举个例子：
在固体的晶格中，原子以一定的频率在平衡位置附近振动，这些振动可以被视为声波。在低温下，这些振动可以被量子化为“声子”。当声波的频率很高，或者在研究它们与电子之间的相互作用时，我们可能会用到量子力学的概念来描述这些声子的行为，比如它们如何散射电子，或者如何影响材料的导电性。
总结来说，对于我们日常听到的声波，或者一般的超声波，即使频率很高，也完全不需要考虑量子效应。 宏观的波动描述已经足够精确。只有当我们研究介质在极端低温、极小尺度、极高能量（对应极高频率）下，或者在某些特殊量子材料中，声波（或更准确地说，是介质的集体振动模式）与微观粒子的相互作用时，才需要引入量子力学的概念来更深入地理解。
所以，大部分时候，声音就是声音，它按部TSP(Total System Performance)的方式传播，相对论和量子力学这些“高精尖”的理论，在普通声学领域，就像是“大炮打蚊子”，用不上也用不着。除非我们把声音的研究推向了物理学的最前沿，去探索宇宙最极端角落的规律，或者材料科学的微观奥秘。
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首先，要明确一点：我们平时听到的声音，比如说话声、音乐声，它的速度是多少？大概是每秒340米左右。这是一个我们生活中可以直观感受到的速度。而相对论，特别是狭义相对论，它主要关注的是物体的运动速度接近光速（每秒30万公里）时产生的效应。
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想象一下，我们能让介质（比如空气、水或者其他什么奇奇怪怪的东西）以一个接近光速的速度在运动，同时在这个高速运动的介质中，又发出声波。这时候，声速的计算就不是简单的“介质中的声速 + 介质速度”了。
这里面有几个关键点：
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2. 相对论的速度叠加： 当物体（这里是声波）在一个也在运动的参考系中传播时，我们要用相对论的速度叠加公式来计算它相对于另一个参考系的速度。这个公式和我们牛顿力学里的简单相加是不同的，尤其是在速度接近光速时。
3. 介质的相对论效应： 如果介质本身是以接近光速的速度在运动，那么介质的内部结构、粒子之间的相互作用，甚至介质的“质量”都会因为相对论效应而发生变化。比如，会发生长度收缩、时间膨胀等现象。这些变化反过来又会影响介质的弹性模量和密度，而这些正是决定声速的关键因素。
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从飞船内部观察： 你测量到的声速，可能是你熟悉的那个数值，比如340米/秒。因为你和介质、以及声波都在同一个参考系里。
从外面静止的观察者（比如在地球上）来看： 这个声波的速度就复杂了。它不再是简单的“340米/秒 + 飞船速度”。你需要用相对论的速度叠加公式来计算。而且，飞船高速运动本身也会让飞船的“长度”在外界看来变短，空气的“密度”也可能有所变化，这些都会影响声波的传播。
所以，什么时候需要考虑相对论？
当介质本身的运动速度，或者在其中传播的“声波”的“有效速度”（这个概念比较微妙，因为声波是介质的振动）接近光速时。
在天体物理学等领域，比如超新星爆发、中子星碰撞等极端情况下，形成的等离子体或者其他介质，其粒子运动速度可能极高，这时候讨论其中的“声学”现象，就不得不考虑相对论效应。
在我们的日常经验和绝大多数工程应用中，介质的速度远低于光速，所以相对论效应对于声速的影响几乎可以忽略不计，可以完全用经典的牛顿力学来描述。
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首先，我们理解的“高频声波”是指频率非常高的声音，比如超声波（高于20kHz）。但即使是最高频率的超声波，与量子力学所关注的微观粒子（如电子、光子）的量子行为相比，还是属于宏观范畴。
量子效应通常发生在什么情况下？
1. 尺度极小： 作用的范围在原子、分子甚至亚原子级别。
2. 能量极低或极高： 能量级别与普朗克常数（h）相乘的频率（E=hν）处于同一数量级，或者粒子的动能非常低，使得其德布罗意波长可以与障碍物的尺寸相当。
3. 粒子数极少： 体系中只有少数几个粒子，或者需要精确描述单个粒子的行为。
声波的本质是什么？
声波本质上是介质中大量粒子（原子、分子）的集体振动。即使是频率非常高的声波，也是亿万个粒子的协调运动。
那么，高频声波是否会“触碰到”量子效应的边界？
理论上，如果我们把声音的载体——介质中的粒子——看作是量子力学的对象，那么它们的振动本身就遵循量子力学的规则。比如，一个分子中原子核和电子的振动，其能量是量子化的。
但是，问题在于“集体行为”和“集体效应”：
大量粒子的平均行为： 声波的传播是大量粒子集体运动的宏观表现。即使单个粒子的位置和动量存在不确定性（量子力学的不确定性原理），当有海量的粒子参与进来，形成一个宏观的振动波时，这种不确定性会被平均掉，使得声波的整体传播可以用宏观的波动方程（如波动方程）来描述。
能量量子化与声波传播： 介质中的声学模式（声子）的能量确实是量子化的。就像光有光子一样，声波也有“声子”这个概念。声子是描述晶格振动的准粒子。在量子声学中，可以讨论声子的产生、湮灭、散射等。
什么时候可能需要考虑？
极低的温度： 当介质被冷却到接近绝对零度时，粒子的热运动变得非常微弱，量子效应会更加显著。例如，在低温下的超流氦中，声波的行为就表现出一些奇特的量子特性，比如“第二声”。
极高的频率或极小的尺度： 如果我们试图研究发生在极其微小尺度上的、频率极高的声学现象，比如在纳米结构中，声波的波长可能接近物质的量子相干长度，或者在极高频率下，单个声子的能量变得显著。这时，讨论单个声子的行为，或者声子与电子之间的量子耦合，可能就需要量子力学的工具。
特定材料或现象： 在某些量子材料中，声子扮演着重要的角色，影响着电子的输运、磁性等性质。研究这些相互作用时，就需要考虑声子（以及介质粒子）的量子行为。
举个例子：
在固体的晶格中，原子以一定的频率在平衡位置附近振动，这些振动可以被视为声波。在低温下，这些振动可以被量子化为“声子”。当声波的频率很高，或者在研究它们与电子之间的相互作用时，我们可能会用到量子力学的概念来描述这些声子的行为，比如它们如何散射电子，或者如何影响材料的导电性。
总结来说，对于我们日常听到的声波，或者一般的超声波，即使频率很高，也完全不需要考虑量子效应。 宏观的波动描述已经足够精确。只有当我们研究介质在极端低温、极小尺度、极高能量（对应极高频率）下，或者在某些特殊量子材料中，声波（或更准确地说，是介质的集体振动模式）与微观粒子的相互作用时，才需要引入量子力学的概念来更深入地理解。
所以，大部分时候，声音就是声音，它按部TSP(Total System Performance)的方式传播，相对论和量子力学这些“高精尖”的理论，在普通声学领域，就像是“大炮打蚊子”，用不上也用不着。除非我们把声音的研究推向了物理学的最前沿，去探索宇宙最极端角落的规律，或者材料科学的微观奥秘。
网友意见
谢
@Porcre Lee邀。
声波传播既要考虑相对论效应也要考虑量子力学的情况当然存在的，但不是原子物质，而是夸克胶子等离子体[1]，此时声速可以达到光速一半以上。
甚至还有更极端的，不仅要考虑狭义相对论，还要考虑广义相对论，一般用在高能天体物理中，用来解释相对论性喷射等过程，有的模型声速也可达到光速一半，评论中有人提到了，这些属于相对论性流体力学的研究范畴。
前者已经有大量实验数据支持了，后者似乎主要停留在假说、模型的水平，不知道最近进展如何。
非专业，望抛砖引玉。
[1]
https:// en.wikipedia.org/wiki/Q uark%E2%80%93gluon_plasma类似的话题
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