Teoria relativității speciale a lui Einstein ne-a dat limita de viteză a Universului — cea a luminii în vid.
Dar viteza maximă absolută a sunetului, prin orice mediu, a fost oarecum mai dificil de constrâns.
Este imposibil de măsurat viteza sunetului în fiecare material existent, dar acum oamenii de știință au reușit să stabilească o limită superioară bazată pe constante fundamentale, parametri universali prin care înțelegem fizica Universului.
Această limită de viteză, conform noilor calcule, este de 36 de kilometri pe secundă.
Aceasta este cam de două ori viteza sunetului la trecerea prin diamant.
Atât sunetul, cât şi lumina, călătoresc ca unde, dar se comportă un pic diferit.
Vedeţi şi: Primul test de succes a relativității generale a lui Einstein lângă o gaură neagră
Lumina vizibilă este o formă de radiație electromagnetică, astfel numită deoarece undele de lumină constau din câmpuri electrice şi magnetice.
Aceste câmpuri generează o undă electromagnetică ce se auto-perpetuează şi se poate deplasa prin vid — iar viteza sa maximă este de aproximativ 300 000 de kilometri pe secundă.
Călătorind printr-un mediu, cum ar fi apa sau atmosfera, ea se încetineşte.
Sunetul, în schimb, este o undă mecanică, ce este cauzată de o vibrație într-un mediu.
Pe măsură ce unda se deplasează prin mediu, moleculele acestui mediu se ciocnesc între ele, transferând astfel energie în timp ce trec prin el.
Prim urmare, cu cât mediul este mai rigid — cu atât mai dificil este de comprimat — iar sunetul se deplasează mai rapid.
De exemplu, apa are particulele mai compacte decât aerul, din care cauză balenele pot comunica la distanțe atât de mari în ocean.
Vedeți și: Fizicienii descoperă o nouă clasă misterioasă de particule ce conțin cinci quarci
Într-un solid rigid, așa ca diamantul, sunetul poate călători şi mai repede.
Noi folosim această proprietate pentru a studia interiorul Pământului atunci când undele sonore de la cutremure circulă prin el.
Noi o putem utiliza chiar şi pentru a înțelege interiorul stelelor.
“Undele sonore în solide sunt deja extrem de importante în multe domenii științifice”, a spus omul de ştiinţă în materiale Chris Pickard (en), de la Universitatea Cambridge, Marea Britanie.
“De exemplu, seismologii folosesc undele sonore inițiate de cutremure adânc în interiorul Pământului pentru a înțelege natura evenimentelor seismice şi proprietățile compoziției Pământului.
Vedeți și: Marea crăpătură în riftul Africii de Est este o dovadă a divizării continentului în o două
Ele, de asemenea, prezintă interes pentru oamenii de știință din domeniul materialelor, deoarece undele sonore sunt legate de proprietăți elastice importante, inclusiv capacitatea de a rezista la stres”.
Probabil, din cele expuse până acum, aţi constatat problema cu limitarea vitezei sunetului.
Cum putem lua în cont toate materialele posibile din Univers, pentru a determina limita superioară a vitezei sunetului?
Vedeți și: Acum avem mai multe dovezi că undele sonore într-adevăr transportă masă
Acesta este cazul când constantele fundamentale vin în ajutor.
Pentru a calcula limita vitezei sunetului, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Queen Mary din Londra, Universitatea Cambridge din Marea Britanie şi Institutul de Fizica Presiunii înalte din Rusia au descoperit că limita de viteză depinde de două constante fundamentale.
Acestea sunt constanta structurii fine (en), ce caracterizează puterea interacțiunilor electromagnetice dintre particulele elementare încărcate; şi proporţia de masă proton-electron (en), care este masa de repaus a protonului împărțită la masa de repaus a electronului.
“Valorile foarte bine reglate ale constantei structurii fine şi ale proporție de masă proton-electron şi echilibrul dintre ele, guvernează reacțiile nucleare, cum ar fi degradarea protonului şi sinteza nucleară în stele, ducând la crearea elementelor biochimice esențiale, inclusiv carbonul.
Vedeți și: Protonii conțin de 10 ori mai multă presiune decât o stea neutronică
Acest echilibru oferă o ‘zonă locuibilă’ îngustă în spațiul în care se pot forma stele şi planete şi pot apărea structuri moleculare ce susțin viața”, au scris cercetătorii în lucrarea lor (en).
“Noi demonstrăm că o combinație simplă a constantei fine şi a proporției masei proton-electron rezultă într-o cantitate adimensională, ce are o implicație neașteptată şi specifică pentru o proprietate cheie a fazelor condensate — viteza cu care se deplasează undele în solide şi lichide, sau, cu alte cuvinte, viteza sunetului”.
Pentru a confirma ecuația lor, echipa a măsurat experimental viteza sunetului într-un număr mare de solide şi lichide elementare, şi au primit rezultate în concordanță cu predicțiile lor.
O predicție specifică a teoriei echipei este că viteza sunetului ar trebui să scadă odată cu masa atomului.
Conform acest predicții, sunetul ar trebui să se deplaseze cel mai rapid prin hidrogen atomic solid — ce poate exista doar la presiuni extrem de mari, de peste aproximativ 1 milion de ori presiunea atmosferică a Pământului la nivelul mării (100 gigapascali).
Vedeţi şi: Hidrogenul a fost transformat în metal, un act uimitor de alchimie
Obținerea unei probe pentru a verifica experimental această predicție ar fi extrem de dificil, astfel echipa a mizat pe calculele bazate pe proprietățile hidrogenului atomic solid la presiunea între 250 şi 1000 de gigapascali.
Şi ei, din nou au descoperit că rezultatele corespund cu previziunile lor.
Dacă rezultatele aplicării ecuației echipei vor rămâne consecvente, aceasta s-ar putea dovedi un instrument valoros, nu doar pentru înţelegerea materialelor individuale, dar şi a Universului pe larg.
“Noi credem că rezultatele acestui studiu”, a spus fizicianul Kostya Trachenko (en), de la Universitatea Queen Mary din Londra, “ar putea avea alte implicații științifice, ajutându-ne să găsim şi să înțelegem limitele diferitor proprietăți, cum ar fi vâscozitatea şi conductivitatea termică, relevante pentru superconductivitatea la temperaturi ridicate, plasma quark-gluon şi chiar fizica găurilor negre”.
Cercetarea a fost publicată în Science Advances.
Lasă un răspuns