La teoria della relatività speciale di Einstein ci ha fornito il limite di velocità dell’Universo: quello della luce nel vuoto. Ma la velocità massima assoluta del suono, attraverso qualsiasi mezzo, è un po ‘più complicata da calcolare. È impossibile misurare la velocità del suono in ogni singolo materiale esistente, ma gli scienziati sono ora riusciti a definire un limite superiore basato su costanti fondamentali, i parametri universali con cui comprendiamo la fisica dell’Universo.
Tale limite di velocità, secondo i nuovi calcoli, è di 36 chilometri al secondo (22 miglia al secondo). È circa il doppio della velocità del suono che viaggia attraverso il diamante. Sia il suono che la luce viaggiano come onde, ma si comportano in modo leggermente diverso. La luce visibile è una forma di radiazione elettromagnetica, così chiamata perché le onde luminose sono costituite da campi elettrici e magnetici oscillanti. Questi campi generano un’onda elettromagnetica che si autoalimenta che può viaggiare nel vuoto e la sua velocità massima è di circa 300.000 chilometri al secondo. Viaggiare attraverso un mezzo, come l’acqua o un’atmosfera, lo rallenta.
Cos’è il suono?
Il suono è un’onda meccanica, che è causata da una vibrazione in un mezzo. Mentre l’onda viaggia attraverso il mezzo, le molecole di quel mezzo entrano in collisione tra loro, trasferendo energia mentre vanno. Quindi, più il mezzo è rigido, più è difficile comprimerlo, più il suono viaggia più velocemente. Ad esempio, l’acqua ha particelle più fitte dell’aria, e questo è in parte il motivo per cui le balene possono comunicare attraverso distanze così vaste nell’oceano.
In un solido rigido, come un diamante, il suono può viaggiare ancora più velocemente. Sfruttiamo questa proprietà per studiare l’interno della Terra quando le onde sonore dei terremoti viaggiano attraverso di essa. Possiamo persino usarlo per capire gli interni delle stelle. “Le onde sonore nei solidi sono già estremamente importanti in molti campi scientifici”, ha riferito lo scienziato dei materiali Chris Pickard dell’Università di Cambridge nel Regno Unito.
“Ad esempio, i sismologi utilizzano le onde sonore innescate da terremoti profondi nell’interno della Terra per comprendere la natura degli eventi sismici e le proprietà della composizione della Terra. Sono anche di interesse per gli scienziati dei materiali perché le onde sonore sono correlate a importanti proprietà elastiche tra cui il capacità di resistere allo stress.”
Il problema del limite massimo della velocità del suono
A questo punto, probabilmente avrete capito qual’è il problema con la limitazione della velocità del suono. Come è possibile tener conto di tutti i materiali nell’universo al fine di determinare un limite massimo assoluto alla velocità del suono? È qui che le costanti fondamentali sono utili. Per calcolare il limite di velocità del suono, un team di scienziati hanno scoperto che il limite di velocità dipende da due costanti fondamentali. Queste sono le costanti di struttura fine, che caratterizzano la forza delle interazioni elettromagnetiche tra particelle cariche elementari; e il rapporto di massa protone-elettrone, che è la massa a riposo del protone divisa per la massa a riposo dell’elettrone.
“I valori finemente sintonizzati della costante di struttura fine e del rapporto di massa protone-elettrone, e l’equilibrio tra loro, governano reazioni nucleari come il decadimento del protone e la sintesi nucleare nelle stelle, portando alla creazione degli elementi biochimici essenziali, tra cui carbonio. Questo equilibrio fornisce una stretta “zona abitabile” nello spazio in cui stelle e pianeti possono formarsi e strutture molecolari che sostengono la vita possono emergere”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo .
“Dimostriamo che una semplice combinazione della costante di struttura fine e del rapporto massa protone-elettrone si traduce in un’altra quantità adimensionale che ha un’implicazione inaspettata e specifica per una proprietà chiave delle fasi condensate: la velocità con cui le onde viaggiano nei solidi e liquidi o la velocità del suono.”
Confermare il calcolo
Per confermare la loro equazione, il team ha misurato sperimentalmente la velocità del suono in un gran numero di solidi e liquidi elementari e ha restituito risultati coerenti con le loro previsioni. Una previsione specifica della teoria del team è che la velocità del suono dovrebbe diminuire con la massa dell’atomo. Secondo questa previsione, il suono dovrebbe muoversi più velocemente attraverso l’idrogeno atomico solido, che può esistere solo a pressioni estremamente elevate, superiori a circa 1 milione di volte la pressione atmosferica terrestre a livello del mare (100 gigapascal).
Ottenere un campione per verificare sperimentalmente questa previsione sarebbe estremamente difficile, quindi il team si è basato su calcoli basati sulle proprietà dell’idrogeno atomico solido tra 250 e 1.000 gigapascal. Hanno scoperto che, ancora una volta, i risultati concordavano con le loro previsioni. Se i risultati dell’applicazione dell’equazione del team rimangono coerenti, potrebbe rivelarsi uno strumento prezioso, non solo per la comprensione dei singoli materiali, ma per l’Universo più ampio.
“Riteniamo che i risultati di questo studio”, ha detto il fisico Kostya Trachenko della Queen Mary University di Londra, “potrebbero avere ulteriori applicazioni scientifiche aiutandoci a trovare e comprendere i limiti di diverse proprietà come la viscosità e la conduttività termica rilevanti per la superconduttività ad alta temperatura, plasma di quark-gluoni e persino la fisica dei buchi neri”. La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.
