Constantele fundamentale pun o nouă limită de viteză pentru sunet

Sunetul are o limită de viteză. În circumstanțe normale, undele sale pot călători nu mai repede de aproximativ 36 de kilometri pe secundă, sugerează fizicienii pe 9 octombrie. Progresele științei.

Sunetul curge cu fermoar la viteze diferite în diferite materiale – mișcându-se mai repede în apă decât în ​​aer, de exemplu. Dar în condițiile găsite în mod natural pe Pământ, niciun material nu poate găzdui unde sonore care depășesc această limită finală, care este de aproximativ 100 de ori viteza tipică a sunetului care circulă în aer.

Raționamentul echipei se bazează pe ecuații binecunoscute ale fizicii și relații matematice. „Având în vedere simplitatea argumentului, sugerează că [the researchers] pun degetul pe ceva foarte adânc”, spune fizicianul materiei condensate Kamran Behnia de la École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles din Paris.

Ecuația pentru limita de viteză se bazează pe constante fundamentale, numere speciale care guvernează cosmosul. Un astfel de număr, viteza luminii, stabilește limita maximă de viteză a universului – nimic nu poate merge mai repede. Un altul, cunoscut sub numele de constanta de structură fină, determină puterea cu care particulele încărcate electric se împing și se trag unele de altele. Atunci când sunt combinate în aranjamentul corect cu o altă constantă – raportul dintre masele protonului și electronului – aceste numere produc limita de viteză a sunetului.

Undele sonore, care constau din vibrațiile atomilor sau ale moleculelor, călătoresc printr-un material în timp ce o particulă o împinge pe alta. Viteza undei depinde de diverși factori, inclusiv de tipurile de legături chimice care țin materialul împreună și de cât de masivi sunt atomii săi.

Niciuna dintre vitezele sunetului măsurate anterior într-o varietate de lichide și solide nu depășește limita propusă, au descoperit fizicianul materiei condensate Kostya Trachenko și colegii săi. Cea mai rapidă viteză măsurată, în diamant, a fost doar aproximativ jumătate din maximul teoretic.

Limita se aplică numai solidelor și lichidelor la presiuni întâlnite de obicei pe Pământ. La presiuni de milioane de ori mai mari decât cele ale atmosferei Pământului, undele sonore se mișcă mai repede și ar putea depăși limita.

Un material care se așteaptă să aibă o viteză mare a sunetului există doar la presiuni atât de mari: hidrogenul stors suficient de tare pentru a se transforma într-un metal solid (SN: 28/06/19). Acel metal nu a fost niciodată creat în mod convingător, așa că cercetătorii au calculat viteza așteptată în loc să folosească o măsurătoare. De peste aproximativ 6 milioane de ori presiunea atmosferică a Pământului, limita de viteză a sunetului ar fi depășită, sugerează calculele.

Rolul constantelor fundamentale în viteza maximă a sunetului rezultă din modul în care undele se deplasează prin materiale. Sunetul călătorește datorită interacțiunilor electromagnetice ale electronilor atomilor vecini, care este locul în care constanta de structură fină intră în joc. Și raportul de masă proton-electron este important pentru că, deși electronii interacționează, nucleele atomilor se mișcă ca urmare.

Constanta de structură fină și raportul de masă proton-electron sunt constante adimensionale, adică nu există unități atașate acestora (deci valoarea lor nu depinde de niciun sistem anume de unități). Astfel de constante fără dimensiuni îi fascinează pe fizicieni, deoarece valorile sunt cruciale pentru existența universului așa cum îl cunoaștem noi (SN: 11/2/16). De exemplu, dacă constanta de structură fină ar fi fost modificată semnificativ, stelele, planetele și viața nu s-ar fi putut forma. Dar nimeni nu poate explica de ce aceste numere extrem de importante au valorile pe care le au.

„Când am nopți nedormite, uneori mă gândesc la asta”, spune Trachenko, de la Universitatea Queen Mary din Londra. Așa că el și colegii extind acest puzzle de la tărâmul cosmic la concepte mai banale, cum ar fi viteza sunetului. Trachenko și coautorul Vadim Veniaminovici Brazhkin de la Institutul pentru Fizica de Înaltă Presiune, din Troitsk, Rusia, au raportat, de asemenea, o vâscozitate minimă posibilă pentru lichide în 24 aprilie. Progresele științei.

Această limită de vâscozitate depinde de constanta Planck, un număr aflat în centrul mecanicii cuantice, matematica care guvernează fizica la scară foarte mică. Dacă constanta Planck ar fi de 100 de ori mai mare, spune Trachenko, „apa ar fi ca mierea și probabil că ar fi sfârșitul vieții, deoarece procesele din celule nu ar curge la fel de eficient”.