Team internazionale di fisici scopre la velocità del suono

A differenza del limite della velocità della luce, la velocità massima del suono, fino a pochi giorni fa, non era nota. Ora un team internazionale di fisici, partendo dalla costante di struttura fine e dal rapporto di massa protone-elettrone, è riuscito a calcolarla: 36.1 km/s, circa il doppio della velocità del suono nel diamante. Lo studio è pubblicato su Science Advances

Nascono da un impulso che deforma la materia – le nocche che bussano sulla porta, le corde della chitarra pizzicate ad arte, l’aria dei polmoni spinta dal diaframma verso le corde vocali – e giungendo al timpano del nostro orecchio creano la magia del suono. Stiamo parlando delle onde acustiche: vibrazioni di atomi e molecole che si propagano da un luogo all’altro sotto forma di onde di pressione. Possono viaggiare attraverso diversi mezzi – solidi, liquidi e gas (ma non nel vuoto, privo di particelle per definizione) – muovendosi a velocità diverse a seconda della loro densità: molto più velocemente attraverso i solidi che nei liquidi, e in questi ultimi più velocemente che nei gas.

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Ma la velocità massima qual è? Per la luce lo sappiamo da tempo: la teoria della relatività speciale di Einstein ci dice che esiste un limite massimo a cui un’onda elettromagnetica possa sfrecciare, pari a circa 300mila km/s. Per quanto riguarda la velocità del suono, invece, ne conosciamo il valore in alcuni mezzi particolari – nell’aria a 20 °C, per esempio, è di circa 343 m/s. La domanda è: esiste anche una velocità massima di propagazione del suono nei solidi? 

La risposta è stata pubblicata venerdì scorso su Science Advances:36.1 km/s – circa il doppio della velocità del suono nel diamante, il materiale più duro conosciuto al mondo. L’ha calcolata in via teorica una collaborazione di ricerca che ha coinvolto la Queen Mary University e l’Università Cambridge di Londra, Regno Unito,  l’Institute for High Pressure Physics di Troitsk, in Russia, e la Tohoku University di Sendai, in Giappone. Il valore è stato ottenuto considerando la costante di struttura fine, che caratterizza l’intensità dell’interazione elettromagnetica, e il rapporto di massa protone-elettrone. Due costanti già note agli addetti ai lavori per il ruolo che svolgono nella comprensione dell’universo, capaci di influenzare anche altri campi scientifici, come la la scienza dei materiali e la fisica della materia condensata, ponendo limiti a specifiche proprietà della materia, come appunto la velocità del suono nei solidi.

Per ottenere questo valore, gli scienziati hanno testato la loro previsione su un’ampia gamma di materiali, partendo dall’assunto della loro teoria secondo cui la velocità del suono è inversamente proporzionale alla massa atomica dell’elemento. Questa previsione implica che la massima velocità di propagazione del suono si verifichi in un solido costituito da idrogeno atomico, l’elemento con il più basso peso atomico conosciuto.

Verificare in laboratorio questa teoria implicherebbe portare l’idrogeno a pressioni superiori a un milione di atmosfere, paragonabili dunque a quelle nel nucleo di pianeti giganti come Giove: è solo a questi valori estremi, infatti, che l’idrogeno diventa un solido atomico metallico. Cosa non impossibile: due fisici dell’Harvard University ci sono riusciti nel 2017 utilizzando le celle a incudine di diamante. C’è tuttavia un problema: la stabilità del solido creato, che va ancora studiata. Pertanto, per mettere alla prova la loro previsione, i ricercatori si sono avvalsi di calcoli teorici: risolvendo complesse equazioni di meccanica quantistica hanno scoperto che la velocità del suono, nell’idrogeno atomico solido, è vicina appunto al limite teorico fondamentale di 36.1 km/s.

«La propagazione delle onde sonore nei solidi è estremamente importante in molti campi delle scienze», sottolinea Chris Pickard, professore di scienze dei materiali all’Università di Cambridge e coautore della pubblicazione. «Ad esempio, i sismologi utilizzano le onde sonore prodotte dai terremoti nelle profondità della Terra per comprendere la natura dell’evento sismico e la composizione del nostro pianeta. Sono anche di interesse per chi si occupa di scienza dei materiali, in quanto sono legate a importanti proprietà elastiche, inclusa la capacità di resistere allo stress».

«Riteniamo che i risultati di questo studio possano avere ulteriori applicazioni scientifiche», conclude il primo autore dello studio, Kostya Trachenko, della Queen Mary University, «aiutandoci a trovare e comprendere i limiti di diverse proprietà – come la viscosità e la conduttività termica – rilevanti per la superconduttività ad alta temperatura, per i plasma di quark-gluoni e persino per la fisica dei buchi neri».

Per saperne di più:

di Giuseppe Fiasconaro
www.media.inaf.it

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