36 km por segundo. Esa es la m√°xima velocidad posible del sonido

By 08/10/2020 Portal

Solemos decir que la velocidad del sonido es de algo m√°s de 340 metros por segundo, y que la de la luz, mucho m√°s r√°pida, alcanza casi los 300.000 km por segundo. Sin embargo, tanto en un caso como en otro, eso no siempre es as√≠. Tanto la luz como el sonido se componen de ondas, y la velocidad a la que se transmiten esas ondas var√≠a seg√ļn el medio en el que se propaguen. En el vac√≠o, por ejemplo, la luz efectivamente viajar√° a 300.000 km por segundo, pero en el agua ser√° m√°s lenta. Y lo mismo sucede con las ondas sonoras.

Ahora, un equipo de investigadores de las universidades Queen Mary en Londres y Cambridge, junto a científicos del Instituto de Física de Altas Presiones en Troitsk, acaba de descubrir cuál es la máxima velocidad posible para el sonido. Y resulta que es decenas de veces superior a los ya conocidos 340 metros por segundo. De hecho, una onda sonora puede llegar a desplazarse muchísimo más rápido, hasta los 36 km por segundo, siempre y cuando las condiciones sean las adecuadas.

El resultado multiplica por dos el anterior ¬ęr√©cord¬Ľ de velocidad del sonido en el diamante, el material m√°s duro conocido en nuestro mundo. El trabajo acaba de publicarse en Science Advances pero puede consultarse aqu√≠.

Más rápido en los sólidos
Las ondas, como las del sonido o la luz, son perturbaciones que mueven energ√≠a de un lugar a otro. Y pueden viajar a trav√©s de diferentes medios, como el aire o el agua, movi√©ndose a diferentes velocidades seg√ļn lo que atraviesen. Adem√°s, las ondas se mueven mucho m√°s r√°pido cuando viajan a trav√©s de cuerpos s√≥lidos de lo que lo har√≠an a trav√©s de l√≠quidos o gases. Esa es la raz√≥n, por ejemplo, de que podamos escuchar mucho antes un tren que se acerca si pegamos el o√≠do a las v√≠as que si esperamos a que su sonido nos llegue por el aire.

La teoría de la relatividad especial de Einstein establece el límite de velocidad absoluta a la que puede viajar una onda, que es la velocidad de la luz, a casi 300.000 km por segundo. Sin embargo, hasta ahora no se sabía si las ondas sonoras también tienen un límite superior de velocidad.

Los investigadores, en su estudio, muestran que la m√°xima velocidad posible del sonido depende de dos constantes fundamentales: la de estructura fina y la relaci√≥n de masa entre el prot√≥n y el electr√≥n. Ambas magnitudes juegan un importante papel en la comprensi√≥n de nuestro Universo. Sus valores, en efecto, gobiernan reacciones nucleares como la desintegraci√≥n de los protones o la s√≠ntesis nuclear en las estrellas. Y el equilibrio entre ambos n√ļmeros proporciona una estrecha ¬ęzona habitable¬Ľ donde los planetas y las estrellas consiguen formarse y pueden emerger estructuras moleculares que sostengan 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 o la física de la materia condensada, al establecer límites a propiedades específicas de los materiales, como es el caso de la velocidad del sonido.

Comprobando una idea
Los investigadores obtuvieron primero una predicci√≥n te√≥rica, y la pusieron despu√©s a prueba en una amplia gama de materiales para comprobar si era cierta su idea de que la velocidad del sonido deber√≠a disminuir a medida que disminuye la masa de los √°tomos. La predicci√≥n implica que el sonido alcanza su l√≠mite de velocidad cuando atraviesa hidr√≥geno at√≥mico s√≥lido. Lo cual es un problema, porque el hidr√≥geno solo se solidifica a enormes presiones (por encima de un mill√≥n de atm√≥sferas), una presi√≥n comparable a la que existe en los n√ļcleos de gigantes gaseosos como J√ļpiter.

A esas presiones, en efecto, el hidr√≥geno se convierte en un fascinante s√≥lido met√°lico que conduce la electricidad como el cobre y que, a temperatura ambiente, podr√≠a convertirse en un superconductor. Por lo tanto, los investigadores tuvieron que realizar complejos c√°lculos de mec√°nica cu√°ntica de √ļltima generaci√≥n para probar su predicci√≥n. Y encontraron que, efectivamente, la velocidad del sonido en el hidr√≥geno at√≥mico s√≥lido est√° muy cerca del l√≠mite fundamental te√≥rico.

Seg√ļn Chris Pickard, profesor de Ciencia de los Materiales en la Universidad de Cambridge y uno de los autores del estudio, ¬ęlas ondas sonoras en los s√≥lidos ya son muy importantes en muchos campos cient√≠ficos. Por ejemplo, los sism√≥logos utilizan ondas sonoras iniciadas por terremotos en las profundidades de la Tierra para comprender la naturaleza de los eventos s√≠smicos y las propiedades de la composici√≥n del planeta. Tambi√©n son de inter√©s para los cient√≠ficos de materiales, porque las ondas sonoras est√°n relacionadas con importantes propiedades el√°sticas, incluida la capacidad de resistir al ¬ęestr√©s¬Ľ.

Kostya Trachenko, por su parte, primer firmante del trabajo, asegura que ¬ęcreemos que los hallazgos de este estudio podr√°n tener m√°s aplicaciones cient√≠ficas al ayudarnos a encontrar y comprender los l√≠mites de diferentes propiedades como la viscosidad o la conductividad t√©rmica, relevantes para la superconductividad de altas temperaturas, el plasma que quark-gluones e incluso la f√≠sica de los agujeros negros¬Ľ.