O limite superior da velocidade do som foi determinado. Notícias gratuitas da biblioteca técnica

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Um limite superior na velocidade do som foi determinado

22.10.2020

Um grupo internacional de cientistas calculou o valor do limite superior (máximo) da velocidade de propagação das ondas sonoras. Esse valor acabou sendo 36 quilômetros por segundo, duas vezes a velocidade do som no diamante, o material mais duro conhecido hoje.

Ondas, como ondas sonoras e eletromagnéticas, são vibrações que movem a energia contida nelas de um lugar para outro. As ondas sonoras podem se propagar em vários meios, no ar, na água e nos sólidos, e em cada um desses meios a velocidade de propagação do som tem seu próprio valor. Por exemplo, quanto mais denso o meio, mais rápido o som viaja através dele, o que explica por que você pode aprender sobre a aproximação de um trem muito mais cedo, colocando o ouvido no trilho da ferrovia.

A teoria da relatividade especial de Albert Einstein estabelece um limite máximo absoluto em qualquer limite de velocidade, que é igual à velocidade da luz no vácuo e é de cerca de 300 quilômetros por segundo. No entanto, até recentemente, ninguém sabia se havia algum limite superior para a velocidade de propagação das ondas sonoras.

Estudos preliminares realizados pelos cientistas mencionados acima mostraram que o limite superior da velocidade do som pode depender do valor de duas constantes fundamentais adimensionais: a constante de estrutura fina e a razão entre a massa do próton e a massa do elétron .

Estes dois significados, como já se sabe, desempenham um papel muito importante na nossa compreensão da natureza, estrutura e "funcionamento" do Universo. Seus valores medidos com precisão determinam o curso das reações nucleares, como o decaimento de prótons e os processos de fusão termonuclear, ocorrendo no interior das estrelas. O equilíbrio entre essas duas constantes define uma estreita faixa de "zona habitável" na qual estruturas moleculares podem começar a se formar na superfície dos planetas, que são os primeiros "vislumbres" da vida futura.

No entanto, os resultados de novas pesquisas indicam que as duas constantes fundamentais também podem afetar outros fenômenos e processos relacionados à ciência dos materiais, física da matéria condensada, onde seus valores estabelecem alguns limites para certas propriedades dos materiais, incluindo a velocidade do som nesses materiais . .

Os cientistas testaram sua teoria sobre a velocidade do som em uma gama muito ampla de materiais diferentes, o que permitiu confirmar a suposição de que, à medida que a massa de um átomo aumenta, a velocidade do som no meio dessa substância diminui. Isso, por sua vez, implica que a maior velocidade do som será no meio de hidrogênio atômico sólido. No entanto, essa forma de hidrogênio é produzida apenas em pressões muito altas, acima de 1 milhão de atmosferas, o que é comparável à pressão no núcleo de planetas gigantes gasosos como Júpiter. A tais pressões, o hidrogênio torna-se uma forma metálica sólida, possui condutividade elétrica e, segundo algumas teorias, é um supercondutor, cujo ponto crítico está na faixa de temperatura ambiente.

Para os cálculos, os cientistas usaram o modelo da mecânica quântica que criaram para a forma atômica metálica do hidrogênio. Cálculos feitos com esse modelo deram aos cientistas um valor para a velocidade do som muito próximo do limite teórico fundamental.

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Para acelerar os elétrons, os físicos usaram o campo eletromagnético de um feixe de laser perpendicular ao vetor de aceleração. Em condições normais, uma partícula capturada em ondas eletromagnéticas primeiro acelera em uma direção e depois desacelera e começa a se mover na direção oposta. Para evitar isso, os físicos criaram um canal transparente de seção transversal variável - devido à interação do campo eletromagnético com a matéria, a amplitude das ondas mudou dependendo da largura do canal e, em seções estreitas, o campo acabou ser mais forte do que nos largos.

Ao ajustar o comprimento das seções largas e estreitas, bem como a velocidade inicial dos elétrons, os cientistas garantiram que o elétron voasse pelas seções estreitas do canal exatamente quando as ondas de luz aceleravam as partículas na direção certa. No momento em que a onda atingiu a fase oposta e começou a desacelerar as partículas, o elétron teve tempo de chegar a um fragmento largo com uma amplitude de campo menor e, portanto, desacelerava menos do que acelerava.

Em aceleradores convencionais, as ondas eletromagnéticas na faixa de micro-ondas são geralmente usadas para acelerar partículas carregadas e, em princípio, não podem fornecer um ganho de energia superior a algumas dezenas de megaelétron-volts por metro. A tecnologia a laser proporciona uma eficiência de ordem de magnitude maior, o que, segundo físicos do Stanford National Accelerator Laboratories, pode levar a uma revolução não apenas na ciência, mas também na tecnologia. Um dos desenvolvedores, Joel England, compara a transição dos aceleradores convencionais à transição do laser de tubos de rádio para transistores. Segundo ele, tal comparação se justifica, principalmente, porque os pesquisadores utilizaram as mesmas tecnologias que são utilizadas na produção de microcircuitos para fabricar canais de aceleração em um chip transparente.

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