Físicos acabam de confirmar o limite máximo da velocidade do som no Universo

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Créditos: Mehau Kulyk / Science Photo Library / Getty Images.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A teoria da relatividade especial de Einstein nos deu um limite de velocidade no Universo – o da luz no vácuo. Mas a velocidade máxima absoluta do som, através de qualquer meio, foi um pouco mais difícil de delimitar.

É impossível medir a velocidade do som em todos os materiais existentes, mas os cientistas agora conseguiram estabelecer um limite máximo com base nas constantes fundamentais, os parâmetros universais pelos quais entendemos a física do Universo.

Esse limite de velocidade, de acordo com os novos cálculos, é de 36 quilômetros por segundo. Isso é cerca de duas vezes a velocidade do som viajando através do diamante.

Tanto o som quanto a luz viajam como ondas, mas se comportam de maneira ligeiramente diferente. A luz visível é uma forma de radiação eletromagnética, assim chamada porque as ondas de luz consistem em campos elétricos e magnéticos oscilantes. Esses campos geram uma onda eletromagnética autoperpetuadora que pode viajar no vácuo – e sua velocidade máxima é de cerca de 300.000 quilômetros por segundo. Viajar por um meio, como a água ou a atmosfera, diminui a velocidade.

O som é uma onda mecânica, que é causada por uma vibração em um meio. Conforme a onda viaja pelo meio, as moléculas desse meio colidem umas com as outras, transferindo energia conforme avançam.

Consequentemente, quanto mais rígido o meio – mais difícil é de comprimir – mais rápido o som viaja. Por exemplo, a água tem partículas mais compactadas do que o ar, e é parcialmente por isso que as baleias podem se comunicar através de distâncias tão vastas no oceano.

Em um material sólido rígido, como um diamante, o som pode viajar ainda mais rápido. Aproveitamos essa propriedade para estudar o interior da Terra quando ondas sonoras de terremotos viajam por ela. Podemos até usar esse meio para estudar o interior das estrelas.

“As ondas sonoras em sólidos são há tempos extremamente importantes em muitos campos científicos”, disse o cientista de materiais Chris Pickard, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

“Por exemplo, sismólogos usam ondas sonoras provocadas por terremotos profundos no interior da Terra para entender a natureza dos eventos sísmicos e as propriedades da composição da Terra. Elas também são de interesse para cientistas de materiais porque as ondas sonoras estão relacionadas a propriedades elásticas importantes, incluindo a capacidade de resistir a pressão”.

Agora, você provavelmente pode ver o problema de delimitar a velocidade do som. Como juntamos todos os materiais possíveis no Universo a fim de determinar um limite máximo absoluto na velocidade do som?

É por isso que as constantes fundamentais são úteis. Para calcular o limite de velocidade do som, uma equipe de cientistas da Queen Mary University of London, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, e do Instituto de Física de Alta Pressão da Rússia, descobriu que o limite de velocidade depende de duas constantes fundamentais.

Estas são as constantes de estrutura fina, que caracterizam a força das interações eletromagnéticas entre partículas elementares carregadas; e a razão entre a massa do próton e a do elétron, que é a massa restante do próton dividida pela massa restante do elétron.

“Os valores finamente ajustados da constante de estrutura fina e a razão entre a massa do próton e a do elétron, e o equilíbrio entre elas, governam reações nucleares, como o decaimento de prótons e a nucleossíntese de estrelas, levando à criação dos elementos bioquímicos essenciais, incluindo carbono. Este equilíbrio permite uma ‘zona habitável’ no espaço onde estrelas e planetas podem se formar e estruturas moleculares que sustentam a vida podem emergir”, escreveram os pesquisadores em seu paper.

“Mostramos que uma combinação simples da constante de estrutura fina e a razão entre a massa do próton e a do elétron resulta em outra quantidade adimensional que tem uma implicação inesperada e específica em uma propriedade-chave das fases condensadas – a velocidade na qual as ondas viajam em sólidos e líquidos, ou a velocidade do som”.

Para confirmar sua equação, a equipe mediu experimentalmente a velocidade do som em um grande número de sólidos e líquidos elementares e viu resultados consistentes com suas previsões.

Uma previsão específica da teoria da equipe é que a velocidade do som deve diminuir com a massa do átomo. De acordo com essa previsão, o som deveria se mover mais rápido através do hidrogênio atômico sólido – que só pode existir em pressões extremamente altas, acima de cerca de 1 milhão de vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar (100 gigapascais).

Obter uma amostra para verificar essa previsão experimentalmente seria extremamente difícil, então a equipe se baseou em cálculos baseados nas propriedades do hidrogênio atômico sólido entre 250 e 1.000 gigapascais. E eles descobriram que, novamente, os resultados estavam de acordo com suas previsões.

Se os resultados da aplicação da equação da equipe permanecerem consistentes, pode ser uma ferramenta valiosa, não apenas para a compreensão de materiais individuais, mas do Universo como um todo.

“Acreditamos que as descobertas deste estudo”, disse o físico Kostya Trachenko, da Queen Mary University of London, “poderiam ter outras aplicações científicas, nos ajudando a encontrar e compreender os limites de diferentes propriedades, como a viscosidade e a condutividade térmica relevantes para supercondutividade em alta temperatura, o plasma de quark-glúon e até a física dos buracos negros”.

A pesquisa foi publicada na Science Advances.