Il suono di un fluido perfetto registrato per la prima volta

Per la prima volta, i fisici hanno registrato il suono di un fluido perfetto, con la viscosità più bassa possibile, come consentito dalle leggi della meccanica quantistica, catturando le onde sonore che si muovono attraverso di esso, un glissando ascendente delle frequenze alle quali il fluido risuona.

Il suono di un fluido perfetto è il canto dell’Universo

Questo straordinario suono potrebbe essere la chiave per la comprensione di alcune delle più estreme condizioni nel nostro Universo, come l’interno ultradenso delle stelle di neutroni e quel brodo di plasma quark-gluone che negli anni dopo il Big Bang riempì l’Universo.

Il fisico Martin Zwierlein del MIT, ha affermato che “è abbastanza difficile ascoltare una stella di neutroni. Ma ora possiamo imitarlo (il suono) in un laboratorio usando gli atomi. Scuotere quella zuppa atomica e ascoltarla, e sapere come suonerebbe una stella di neutroni.”

Fluidi e fluidi perfetti

I fluidi comprendono una serie di stati della materia. Fluido non è liquido, ma è qualsiasi sostanza incomprimibile e conforme alla forma del suo contenitore: anche gas e plasma sono fluidi. Tutti e tre questi stati, liquido, gas e plasma, sono fluidi e sperimentano l’attrito interno tra gli strati del fluido, che crea viscosità o spessore.

Il miele, ad esempio, è altamente viscoso, mentre l’acqua lo è molto meno. Nell’elio liquido super raffreddato, una frazione del fluido diventa un superfluido a viscosità zero. Ma non è ancora necessariamente un fluido perfetto.

Un fluido perfetto, secondo la meccanica quantistica, è quello con l’attrito e la viscosità più bassi possibili, che può essere descritto con equazioni basate sulla massa della particella fermionica media di cui è composto e una costante fondamentale della fisica, la costante di Planck.

Dato che la viscosità di un fluido può essere misurata grazie ad una proprietà chiamata diffusione del suono, ovvero dal modo in cui il suono si dissipa attraverso di esso, un team di ricercatori ha ideato un esperimento per propagare le onde sonore attraverso un fluido di particelle fermioniche per determinarne la viscosità.

La chiave per le misurazioni dei fluidi perfetti; i fermioni

I fermioni sono una classe di particelle che includono gli elementi costitutivi degli atomi, come elettroni e quark, così come particelle che sono fatte di fermioni, come neutroni e protoni, che sono costituite da tre quark.

Queste particelle sono vincolate dal principio di esclusione di Pauli della meccanica quantistica, secondo il quale due di queste particelle in un sistema, ad esempio in un atomo, non possono occupare lo stesso stato quantistico. Ciò significa che non possono occupare lo stesso spazio.

In laboratorio i ricercatori hanno raffreddato 2 milioni di atomi di litio-6, quasi fino allo zero assoluto e li hanno compressi in una gabbia di laser. La loro sfocatura quantistica li ha spinti così in in onde che hanno a malapena attrito: ecco il fluido perfetto.

Nell’esperimento, per massimizzare il numero di collisioni tra i fermioni, i laser sono stati sintonizzati in modo che i fermioni che entrano nei confini rimbalzino nel gas. Questo gas è stato mantenuto a temperature comprese tra 50 e 500 nanoKelvin.

Toccando un fluido perfetto i ricercatori hanno ottenuto il suo suono

Successivamente i ricercatori hanno “toccato” un lato del contenitore dove era contenuto il gas, per produrre in esso delle vibrazioni. Questo tocco è avvenuto variando l’intensità della luce a un’estremità del contenitore cilindrico. Questo, in base all’intensità, ha inviato vibrazioni come diversi tipi di onde sonore attraverso il gas, che il team ha registrato attraverso migliaia di immagini, come la tecnologia a ultrasuoni.

Ciò ha permesso loro di trovare increspature nella densità del fluido analoghe ad un’onda sonora. In particolare, i ricercatori miravano a trovare delle risonanze acustiche, un’amplificazione nell’onda sonora prodotta quando la sua frequenza corrisponde alla frequenza della vibrazione naturale del mezzo.

Zwierlein ha spiegato che “la qualità delle risonanze da informazioni circa la viscosità del fluido, o diffusività del suono. Se un fluido ha una bassa viscosità, può creare un’onda sonora molto forte, se colpito alla giusta frequenza. Se è un fluido molto viscoso invece, non ha buone risonanze”.

I ricercatori hanno trovato risonanze molto chiare nel loro gas, in particolare alle basse frequenze. Da queste, hanno calcolato la diffusione del suono del fluido, ottenendo lo stesso valore che potrebbe essere derivato dalla massa della particella fermionica e dalla costante di Planck, indicando che il gas litio-6 si stava effettivamente comportando come un fluido perfetto.

Questa scoperta potrebbe avere implicazioni piuttosto interessanti, dato che ad esempio, si ritiene che anche gli interni delle stelle di neutroni in rotazione siano fluidi perfetti. Si potrebbero dunque usare fluidi come il gas litio-6 per comprendere la diffusività delle stelle di neutroni. Questo a sua volta potrebbe portare ad una migliore comprensione del loro interno e dei segnali delle onde gravitazionali generati dalla fusione di stelle di neutroni.

Ecco dove ascoltare il suono di un fluido perfetto.

Foto di Jeff Leonhardt da Pixabay