Científicos confirman el límite máximo de la velocidad del sonido.

La teoría de la relatividad especial de Einstein nos da un límite para la velocidad de la luz en el universo —eso es, en el vacío—. Pero la velocidad absoluta máxima para el sonido en cualquier medio, ha sido difícil de descifrar… hasta ahora.

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Es imposible medir la velocidad del sonido en cada material en existencia, pero los científicos se las han arreglado para encontrar el límite máximo basados en constantes fundamentales, los parámetros universales por los cuales entendemos la física en el universo.

Ese límite de velocidad, de acuerdo a los nuevos cálculos, es de 36 kilómetros por segundo (22 millas por segundo). Eso es el doble de la velocidad del sonido viajando a través de un diamante.

Tanto el sonido como la luz viajan como ondas, pero se comportan de manera levemente diferente. La luz visible es una forma de radiación electromagnética, pues las ondas de luz consisten en campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estos campos generan una onda electromagnética auto-perpetuante que puede viajar en el vacío —siendo la velocidad máxima de 300.000 kilómetros por segundo—. Viajar a través de un medio, como el agua o la atmósfera, disminuye ese número.

El sonido, en cambio, es una onda mecánica, causada por la vibración en un medio. A medida que la onda viaja a través del medio, las moléculas de dicho medio colisionan unas con otras, transfiriéndose energía a medida que avanzan.

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Un jet T-38 rompiendo la barrera del sonido. ​

Por lo tanto, cuanto más sólido el medio —más difícil de comprimir— más rápido viaja el sonido. Por ejemplo, el agua tiene partículas más amontonadas que aquellas del aire, una de las razones por la cual las ballenas pueden comunicarse a lo largo de tan vastas distancias en el océano.

En un sólido más rígido, como un diamante, el sonido viajará más rápido. Esta propiedad es usada para estudiar el interior de la Tierra cuando las ondas de sonido de los terremotos viajan a través de ella. E incluso podemos usarla para entender el interior de las estrellas.

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«El agua tiene partículas más amontonadas que aquellas del aire, una de las razones por la cual las ballenas pueden comunicarse a lo largo de tan vastas distancias en el océano». ​

«Las ondas sonoras en los sólidos ya son muy importantes en muchos campos científicos», explicó Chris Pickard, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Cambridge. «Por ejemplo, los sismólogos utilizan ondas sonoras iniciadas por terremotos en las profundidades del interior de la Tierra para comprender la naturaleza de la sísmica eventos 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 de resistir el estrés».

Constantes fundamentales.

Por ahora, uno probablemente puede ver el problema con restringir la velocidad del sonido. ¿Cómo podemos determinar un límite absoluto para cada material posible en el universo?

Para resolver este problema y calcular el límite de la velocidad del sonido, un equipo de científicos de la Universidad Queen Mary y la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, y el Instituto de Física de Alta Presión, en Rusia, determinaron que dependía de dos constantes fundamentales: la constante de estructura fina (la fuerza de las interacciones electromagnéticas entre partículas elementales cargadas) y la relación de masa protón-electrón (la diferencia de masas entre el neutrón y el protón).

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 pueden emerger estructuras moleculares que sustentan la vida.

Sin embargo, los nuevos hallazgos sugieren que estas dos constantes fundamentales también pueden influir en otros campos científicos, como la ciencia de los materiales y la física de la materia condensada, al establecer límites a 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 el más rápido en hidrógeno atómico sólido.

Sin embargo, el hidrógeno es un sólido atómico a muy alta presión por encima de 1 millón de atmósferas solamente (100 gigapascales), presión comparable a la del núcleo de gigantes gaseosos como Júpiter. A esas presiones, el hidrógeno se convierte en un fascinante sólido metálico que conduce electricidad como el cobre, y cuyas predicciones indican es un superconductor a temperatura ambiente.

Obtener una muestra para verificar esta predicción experimentalmente hubiera sido algo extremadamente difícil, por lo que el equipo recurrió a cálculos basados en las propiedades del hidrógeno atómico sólido entre 250 y 1.00 gigapascales. Así hallaron que la velocidad del sonido en este material está cerca del límite fundamental teórico.

Herramienta valiosa.

Si los resultados de aplicar la ecuación propuesta permanece consistente, podría probar ser una herramienta valiosa, no solo para comprender materiales individuales, sino el universo entero.

«Creemos que los hallazgos de este estudio podrían tener aplicaciones científicas mayores al ayudar a encontrar y entender los límites de diferentes propiedades, como la viscosidad y conductividad térmica relevantes para la superconductividad de alta-temperatura, plasma quark-gluon, e incluso para la física de agujeros negros», concluyó Kostya Trachenko, físico de la Universidad Queen Mary en Londres.

Fuente: https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662