Las constantes fundamentales imponen un nuevo límite de velocidad al sonido

El sonido tiene un límite de velocidad. En circunstancias normales, sus ondas no pueden viajar más rápido que unos 36 kilómetros por segundo, los físicos proponen el 9 de octubre en Avances científicos.

El sonido fluye a diferentes velocidades en diferentes materiales, moviéndose más rápido en el agua que en el aire, por ejemplo. Pero bajo las condiciones que se encuentran naturalmente en la Tierra, ningún material puede albergar ondas sonoras que superen este límite máximo, que es aproximadamente 100 veces la velocidad típica del sonido que viaja en el aire.

El razonamiento del equipo se basa en ecuaciones conocidas de física y relaciones matemáticas. “Dada la simplicidad del argumento, sugiere que [the researchers] están poniendo el dedo en algo muy profundo ”, dice el físico de materia condensada Kamran Behnia de la École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles en París.

La ecuación del límite de velocidad se basa en constantes fundamentales, números especiales que gobiernan el cosmos. Uno de esos números, la velocidad de la luz, establece el límite máximo de velocidad del universo: nada puede ir más rápido. Otra, conocida como constante de estructura fina, determina la fuerza con la que las partículas cargadas eléctricamente se empujan y se tiran unas a otras. Cuando se combinan en la disposición correcta con otra constante, la relación de las masas del protón y el electrón, estos números producen el límite de velocidad del sonido.

Las ondas sonoras, que consisten en las vibraciones de átomos o moléculas, viajan a través de un material cuando una partícula empuja a otra. La velocidad de la onda depende de varios factores, incluidos los tipos de enlaces químicos que mantienen unido el material y la masa de sus átomos.

Ninguna de las velocidades del sonido medidas previamente en una variedad de líquidos y sólidos supera el límite propuesto, encontraron el físico de materia condensada Kostya Trachenko y sus colegas. La velocidad más rápida medida, en diamante, fue solo la mitad del máximo teórico.

El límite se aplica solo a sólidos y líquidos a presiones que normalmente se encuentran en la Tierra. A presiones millones de veces mayores que las de la atmósfera terrestre, las ondas de sonido se mueven más rápido y podrían superar el límite.

Un material que se espera que tenga una alta velocidad de sonido existe solo a presiones tan altas: el hidrógeno comprimido lo suficientemente fuerte como para convertirse en un metal sólido (SN: 28/6/19). Ese metal nunca se ha creado de manera convincente, por lo que los investigadores calcularon la velocidad esperada en lugar de usar una medición. Por encima de aproximadamente 6 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra, el límite de velocidad del sonido se rompería, sugieren los cálculos.

El papel de las constantes fundamentales en la velocidad máxima del sonido resulta de cómo las ondas se mueven a través de los materiales. El sonido viaja gracias a las interacciones electromagnéticas de los electrones de los átomos vecinos, que es donde entra en juego la constante de estructura fina. Y la relación de masa protón-electrón es importante porque, aunque los electrones interactúan, los núcleos de los átomos se mueven como resultado.

La constante de estructura fina y la relación de masa protón-electrón son constantes adimensionales, lo que significa que no tienen unidades adjuntas (por lo que su valor no depende de ningún sistema particular de unidades). Tales constantes adimensionales fascinar a los físicos, porque los valores son cruciales para la existencia del universo tal como lo conocemos (SN: 2/11/16). Por ejemplo, si la constante de estructura fina se alterara significativamente, las estrellas, los planetas y la vida no podrían haberse formado. Pero nadie puede explicar por qué estos números tan importantes tienen los valores que tienen.

“Cuando tengo noches de insomnio, a veces pienso en esto”, dice Trachenko, de la Universidad Queen Mary de Londres. Así que él y sus colegas están ampliando este rompecabezas del ámbito cósmico a conceptos más comunes como la velocidad del sonido. Trachenko y el coautor Vadim Veniaminovich Brazhkin del Instituto de Física de Alta Presión, en Troitsk, Rusia, también informaron viscosidad mínima posible para líquidos en el 24 de abril Avances científicos.

Ese límite de viscosidad depende de la constante de Planck, un número en el corazón de la mecánica cuántica, la matemática que gobierna la física en escalas muy pequeñas. Si la constante de Planck fuera 100 veces mayor, dice Trachenko, “el agua sería como la miel, y eso probablemente sería el final de la vida porque los procesos en las células no fluirían tan eficientemente”.

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