Los científicos descubren la velocidad de sonido más rápida posible

Una colaboración de investigación entre la Universidad Queen Mary de Londres, la Universidad de Cambridge y el Instituto Troitsk de Física de Alta Presión ha descubierto la velocidad del sonido más rápida posible.

El resultado, unos 36 km por segundo, es aproximadamente el doble de la velocidad del sonido en el diamante, el material más duro conocido en el mundo.

Las ondas, como las de sonido o de luz, son perturbaciones que mueven energía de un lugar a otro. Las ondas sonoras pueden viajar a través de diferentes medios, como el aire o el agua, y viajar a diferentes velocidades dependiendo de lo que estén pasando. Por ejemplo, se mueven en sólidos mucho más rápido que en líquidos o gases, por lo que puede escuchar un tren que se acerca mucho más rápido si escucha el sonido que se propaga a través de las vías del tren. en lugar de en el aire.

La teoría especial de la relatividad de Einstein define la velocidad límite absoluta a la que puede viajar una onda, que es la velocidad de la luz, y es igual a unos 300.000 km por segundo. Sin embargo, hasta ahora, no se sabía si las ondas sonoras también tienen un límite de velocidad superior cuando se mueven a través de sólidos o líquidos.

El estudio, publicado en la revista Avances científicos, muestra que la predicción del límite superior de la velocidad del sonido depende de dos constantes fundamentales adimensionales: la constante de estructura fina y la relación de masa protón / electrón.

Ya se sabe que estos dos números juegan un papel importante en la comprensión de nuestro Universo. Sus valores finamente ajustados gobiernan reacciones nucleares como la desintegración de protones y la síntesis nuclear en estrellas y el equilibrio entre los dos números proporciona una estrecha « zona habitable » donde las estrellas y los planetas pueden formarse y estructurarse. pueden surgir moléculas vitales. Sin embargo, los nuevos hallazgos sugieren que estas dos constantes fundamentales también pueden influir en otros campos de la ciencia, como la ciencia de los materiales y la física de la materia condensada, al establecer límites a las propiedades específicas de los materiales, como la velocidad del sonido.

Los científicos probaron su predicción teórica en una amplia gama de materiales y abordaron una predicción específica de su teoría de que la velocidad del sonido debería disminuir con la masa del átomo. Esta predicción implica que el sonido es más rápido en hidrógeno atómico sólido. Sin embargo, el hidrógeno es un sólido atómico a muy alta presión por encima de solo 1 millón de atmósferas, una presión comparable a la del corazón de gigantes gaseosos como Júpiter. A estas presiones, el hidrógeno se convierte en un fascinante sólido metálico conductor de electricidad, muy parecido al cobre, y se predice que será un superconductor a temperatura ambiente. Por lo tanto, los investigadores realizaron cálculos mecánicos cuánticos avanzados para probar esta predicción y encontraron que la velocidad del sonido en el hidrógeno atómico sólido está cerca del límite fundamental teórico.

El profesor Chris Pickard, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Cambridge, dijo: “Las ondas sonoras en los sólidos ya son extremadamente importantes en muchos campos de la ciencia. Por ejemplo, los sismólogos utilizan ondas sonoras provocadas por terremotos en las profundidades de la Tierra para comprender la naturaleza de los eventos sísmicos y las propiedades de la composición de la Tierra. También son de interés para los científicos de materiales porque las ondas sonoras están vinculadas a importantes propiedades elásticas, incluida la capacidad de resistir el estrés.

El profesor Kostya Trachenko, profesor de física en Queen Mary, agregó: “Creemos que los resultados de este estudio podrían tener otras aplicaciones científicas para ayudarnos a encontrar y comprender los límites de diferentes propiedades como la viscosidad y la viscosidad. conductividad térmica relevante para la superconductividad de alta temperatura, quark-gluon plasma e incluso agujero negro la física.»

Referencia: «Velocidad del sonido a partir de constantes físicas fundamentales» por K. Trachenko, B. Monserrat, CJ Pickard y VV Brazhkin, 8 de octubre de 2020, Avances científicos.
DOI: 10.1126 / sciadv.abc8662