Los físicos acaban de confirmar el límite superior de la velocidad del sonido en el universo

La teoría de Einstein de relatividad especial nos dio el límite de velocidad del Universo, el de la luz en el vacío. Pero la velocidad máxima absoluta del sonido, a través de cualquier medio, ha sido algo más difícil de restringir.

Es imposible medir la velocidad del sonido en cada material que existe, pero los científicos ahora han logrado precisar un límite superior basado en constantes fundamentales, los parámetros universales por los cuales entendemos la física del Universo.

Ese límite de velocidad, según los nuevos cálculos, es de 36 kilómetros por segundo (22 millas por segundo). Eso es aproximadamente el doble de la velocidad del sonido que viaja a través del diamante.

Tanto el sonido como la luz viajan como ondas, pero se comportan de manera ligeramente diferente. La luz visible es una forma de radiación electromagnética, llamada así porque las ondas de luz consisten en campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estos campos generan una onda electromagnética que se perpetúa a sí misma y que puede viajar en el vacío, y su velocidad máxima es de alrededor de 300.000 kilómetros por segundo. Viajar a través de un medio, como el agua o la atmósfera, lo ralentiza.

El sonido es una onda mecánica causada por una vibración en un medio. A medida que la onda viaja a través del medio, las moléculas de ese medio chocan entre sí, transfiriendo energía a medida que avanzan.

Por lo tanto, cuanto más rígido es el medio, más difícil es comprimir, más rápido viaja el sonido. Por ejemplo, el agua tiene partículas más compactas que el aire, y eso es parcialmente por qué las ballenas pueden comunicarse a distancias tan vastas en el océano.

En un sólido rígido, como un diamante, el sonido puede viajar aún más rápido. Aprovechamos esta propiedad para estudiar el interior de la Tierra cuando las ondas sonoras de los terremotos viajan a través de él. Incluso podemos usarlo para comprender interiores de estrellas.

“Las ondas sonoras en sólidos ya son muy importantes en muchos campos científicos”, dijo el científico de materiales Chris Pickard de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido.

“Por ejemplo, los sismólogos utilizan ondas sonoras iniciadas por terremotos en las profundidades del interior 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 relacionadas con importantes propiedades elásticas, incluida la capacidad para resistir el estrés “.

A estas alturas, probablemente pueda ver el problema de limitar la velocidad del sonido. ¿Cómo contabilizamos todos los materiales posibles en el Universo para determinar un límite superior absoluto en la velocidad del sonido?

Aquí es donde las constantes fundamentales son útiles. Para calcular el límite de velocidad del sonido, un equipo de científicos de la Universidad Queen Mary de Londres, la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y el Instituto de Física de Alta Presión en Rusia encontró que el límite de velocidad depende de dos constantes fundamentales.

Estos son los constante de estructura fina, que caracteriza la fuerza de las interacciones electromagnéticas entre partículas cargadas elementales; y el relación de masa de protón a electrón, que es la masa en reposo del protón dividida por la masa en reposo del electrón.

“Los valores finamente ajustados de la constante de estructura fina y la relación de masa de protón a electrón, y el equilibrio entre ellos, gobiernan las reacciones nucleares como la desintegración de protones y la síntesis nuclear en las estrellas, lo que lleva a la creación de los elementos bioquímicos esenciales, que incluyen carbono. Este equilibrio proporciona una ‘zona habitable’ estrecha en el espacio donde las estrellas y los planetas pueden formarse y pueden surgir estructuras moleculares que sustentan la vida ” los investigadores escribieron en su artículo.

“Demostramos que una combinación simple de la constante de estructura fina y la relación de masa protón-electrón da como resultado otra cantidad adimensional que tiene una implicación inesperada y específica para una propiedad clave de las fases condensadas: la velocidad a la que las ondas viajan en sólidos y líquidos o la velocidad del sonido “.

Para confirmar su ecuación, el equipo midió experimentalmente la velocidad del sonido en una gran cantidad de sólidos y líquidos elementales y arrojó resultados consistentes con sus predicciones.

Una predicción específica de la teoría del equipo es que la velocidad del sonido debería disminuir con la masa del átomo. Según esta predicción, el sonido debería moverse más rápido a través del hidrógeno atómico sólido, que solo puede existir a presiones extremadamente altas, por encima de alrededor de 1 millón de veces la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar (100 gigapascales).

Obtener una muestra para verificar esta predicción experimentalmente sería extremadamente difícil, por lo que el equipo se basó en cálculos basados ​​en las propiedades del hidrógeno atómico sólido entre 250 y 1,000 gigapascales. Y encontraron que, nuevamente, los resultados coincidían con sus predicciones.

Si los resultados de la aplicación de la ecuación del equipo siguen siendo consistentes, podría resultar una herramienta valiosa, no solo para comprender los materiales individuales, sino el Universo en general.

“Creemos que los hallazgos de este estudio”, dijo el físico Kostya Trachenko de la Universidad Queen Mary de Londres, “podría tener más aplicaciones científicas ayudándonos a encontrar y comprender los límites de diferentes propiedades como la viscosidad y la conductividad térmica relevantes para altas temperaturas superconductividad, plasma de quarks-gluones e incluso calabozo física.”

La investigación ha sido publicada en Avances científicos.

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