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Introduzione

Una collaborazione di ricerca tra la Queen Mary University of London, l’Università di Cambridge e l’Istituto di Fisica ad Alta Pressione di Troitsk ha scoperto la velocità del suono più veloce possibile. Il risultato – circa 36 km al secondo – è circa il doppio della velocità del suono in un diamante, il materiale più duro conosciuto al mondo.

Propagazione

Le onde, come quelle del suono o della luce, sono perturbazioni che spostano l’energia da un luogo all’altro. Le onde sonore possono viaggiare attraverso diversi mezzi, come l’aria o l’acqua, e si muovono a velocità diverse a seconda di ciò che stanno attraversando. Per esempio, si muovono attraverso i solidi molto più velocemente di quanto non farebbero attraverso i liquidi o i gas, ed è per questo che si è in grado di sentire un treno in avvicinamento molto più velocemente se si ascolta il suono che si propaga nel binario ferroviario piuttosto che attraverso l’aria.

La teoria della relatività speciale di Einstein stabilisce il limite assoluto di velocità a cui un’onda può viaggiare, che è la velocità della luce, ed è pari a circa 300.000 km al secondo. Tuttavia, fino ad ora non si sapeva se le onde sonore avessero anche un limite di velocità superiore quando viaggiano attraverso i solidi o i liquidi.

Costanti fondamentali

Lo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, mostra che la previsione del limite superiore della velocità del suono dipende da due costanti fondamentali adimensionali: una buona struttura e il rapporto di massa protone-elettrone.

Questi due numeri sono già noti per svolgere un ruolo importante nella comprensione del nostro Universo. I loro valori finemente sintonizzati governano le reazioni nucleari come il decadimento del protone e la sintesi nucleare nelle stelle, e l’equilibrio tra i due numeri fornisce una stretta ‘zona abitabile’ dove le stelle e i pianeti possono formarsi e le strutture molecolari che sostengono la vita possono emergere. Tuttavia, le nuove scoperte suggeriscono che queste due costanti fondamentali possono influenzare anche altri campi scientifici, come la scienza dei materiali e la fisica della materia condensata, ponendo dei limiti a specifiche proprietà dei materiali come la velocità del suono.

I test

Gli scienziati hanno testato la loro previsione teorica su una vasta gamma di materiali e hanno affrontato una specifica previsione della loro teoria, che la velocità del suono dovrebbe diminuire con la massa dell’atomo. Questa previsione implica che il suono è più veloce nell’idrogeno atomico solido. Tuttavia, l’idrogeno è un solido atomico ad altissima pressione, superiore a 1 milione di atmosfere, pressione paragonabile a quella del nucleo dei giganti gassosi come Giove.

A quelle pressioni, l’idrogeno diventa un affascinante solido metallico, conducendo l’elettricità proprio come il rame e si prevede che sia un superconduttore a temperatura ambiente. Pertanto, i ricercatori hanno eseguito calcoli per testare questa previsione e hanno scoperto che la velocità del suono nell’idrogeno atomico solido è vicina al limite fondamentale teorico.

Il professor Chris Pickard, professore di Scienza dei Materiali all’Università di Cambridge, ha detto: “Le onde sonore nei solidi sono già estremamente importanti in molti campi scientifici. Ad esempio, i sismologi utilizzano le onde sonore generate dai terremoti in profondità all’interno della Terra per capire la natura degli eventi sismici e le proprietà della composizione della Terra. Sono anche di interesse per gli scienziati dei materiali perché le onde sonore sono legate a importanti proprietà elastiche, tra cui la capacità di resistere alle sollecitazioni“.

La professoressa Kostya Trachenko, docente di fisica alla Queen Mary, ha aggiunto: “Crediamo che i risultati di questo studio potrebbero avere ulteriori applicazioni scientifiche aiutandoci a trovare e comprendere i limiti di diverse proprietà come la viscosità e la conducibilità termica rilevanti per la superconduttività ad alta temperatura, il plasma di quark-gluoni e persino la fisica dei buchi neri“.

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