Físicos descubren un nuevo límite superior a la velocidad del sonido en sólidos y líquidos


Utilizando dos constantes fundamentales adimensionales, un equipo internacional de físicos ha calculado la velocidad más rápida posible del sonido en fases condensadas de la materia (sólidos y líquidos): 36 km por segundo (22,4 millas por segundo).

Las ondas, como las de sonido o de luz, son perturbaciones que mueven energía de un lugar a otro.

Las ondas de sonido pueden viajar a través de diferentes medios, como el aire o el agua, y se mueven a diferentes velocidades dependiendo de lo que atraviesan.

Por ejemplo, se mueven a través de los sólidos mucho más rápido de lo que puede hacerlo a través de líquidos o gases, por lo que puede escuchar un tren que se aproxima mucho más rápido si escucha el sonido que se propaga en las vías del tren en lugar de hacerlo a través del aire.

La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein establece el límite de velocidad 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 (186.000 millas por segundo).

Sin embargo, hasta ahora no se sabía si las ondas de sonido también tienen un límite de velocidad superior cuando viajan a través de sólidos o líquidos.

"Las ondas sonoras en sólidos ya son muy importantes en muchos campos científicos", dijo el profesor Chris Pickard, coautor del estudio, físico del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de la Universidad de Cambridge y del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku.

"Por ejemplo, los sismólogos utilizan ondas de sonido provocadas por terremotos en el 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 de sonido están relacionadas con importantes propiedades elásticas, incluida la capacidad de resistir el estrés".

El estudio
En una nueva investigación, el profesor Pickard y sus colegas encontraron que predecir el 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.

La constante de estructura fina de Sommerfeld (símbolo α) es la constante física fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

La relación de masa protón-electrón, μ o β, es simplemente la masa en reposo del protón (un barión que se encuentra en los átomos) dividida por la del electrón (un leptón que se encuentra en los átomos). Debido a que esta es una relación de cantidades físicas de dimensiones similares, es una cantidad adimensional, una función de las constantes físicas adimensionales, y tiene un valor numérico independiente del sistema de unidades.

Los investigadores probaron su predicción teórica en una amplia gama de materiales y abordaron una predicción específica de su teoría; que la velocidad del sonido debería disminuir con la masa del átomo.

Esta predicción implica que el sonido es el más rápido en hidrógeno atómico sólido.

Sin embargo, resulta que el hidrógeno es un sólido atómico únicamente a muy alta presión por encima de 1 millón de atmósferas, una presión comparable a la del núcleo de planetas gigantes gaseosos como Júpiter.

A esas presiones, el hidrógeno se convierte en un fascinante sólido metálico que conduce electricidad como el cobre y se predice que sería un superconductor a temperatura ambiente.

Por lo tanto, los científicos realizaron cálculos de mecánica cuántica de última generación para probar esta predicción y encontraron que «la velocidad del sonido en el hidrógeno atómico sólido está cerca del límite fundamental teórico».

"Nuestro resultado amplía la comprensión actual de cómo las constantes fundamentales pueden imponer nuevos límites a propiedades físicas importantes", dijeron los científicos.

Crédito de la imagen: Gerd Altmann.

Referencia del documento científico:
K. Trachenko et al. 2020. Speed of sound from fundamental physical constants. Science Advances 6 (41): eabc8662; doi: 10.1126/sciadv.abc8662

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