Solemos decir que la velocidad del sonido es de algo más de 340 metros por segundo, y que la de la luz, mucho más rápida, alcanza casi los 300.000 km por segundo. Sin embargo, tanto en un caso como en otro, eso no siempre es así. Tanto la luz como el sonido se componen de ondas, y la velocidad a la que se transmiten esas ondas varía según el medio en el que se propaguen. En el vacío, por ejemplo, la luz efectivamente viajará a 300.000 km por segundo, pero en el agua será más 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 «récord» de velocidad del sonido en el diamante, el material más duro conocido en nuestro mundo. El trabajo acaba de publicarse en Science Advances pero puede consultarse aquí.
Más rápido en los sólidos
Las ondas, como las del sonido o la luz, son perturbaciones que mueven energía de un lugar a otro. Y pueden viajar a través de diferentes medios, como el aire o el agua, moviéndose a diferentes velocidades según lo que atraviesen. Además, las ondas se mueven mucho más rápido cuando viajan a través de cuerpos sólidos de lo que lo harían a través de líquidos o gases. Esa es la razón, por ejemplo, de que podamos escuchar mucho antes un tren que se acerca si pegamos el oído a las vías 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 máxima velocidad posible del sonido depende de dos constantes fundamentales: la de estructura fina y la relación de masa entre el protón y el electrón. Ambas magnitudes juegan un importante papel en la comprensión de nuestro Universo. Sus valores, en efecto, gobiernan reacciones nucleares como la desintegración de los protones o la síntesis nuclear en las estrellas. Y el equilibrio entre ambos números proporciona una estrecha «zona habitable» 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 predicción teórica, y la pusieron después a prueba en una amplia gama de materiales para comprobar si era cierta su idea de que la velocidad del sonido debería disminuir a medida que disminuye la masa de los átomos. La predicción implica que el sonido alcanza su límite de velocidad cuando atraviesa hidrógeno atómico sólido. Lo cual es un problema, porque el hidrógeno solo se solidifica a enormes presiones (por encima de un millón de atmósferas), una presión comparable a la que existe en los núcleos de gigantes gaseosos como Júpiter.
A esas presiones, en efecto, el hidrógeno se convierte en un fascinante sólido metálico que conduce la electricidad como el cobre y que, a temperatura ambiente, podría convertirse en un superconductor. Por lo tanto, los investigadores tuvieron que realizar complejos cálculos de mecánica cuántica de última generación para probar su predicción. Y encontraron que, efectivamente, la velocidad del sonido en el hidrógeno atómico sólido está muy cerca del límite fundamental teórico.
Según Chris Pickard, profesor de Ciencia de los Materiales en la Universidad de Cambridge y uno de los autores del estudio, «las ondas sonoras en los sólidos ya son muy importantes en muchos campos científicos. Por ejemplo, los sismólogos utilizan ondas sonoras iniciadas por terremotos en las profundidades de la Tierra para comprender la naturaleza de los eventos sísmicos y las propiedades de la composición del planeta. También son de interés para los científicos de materiales, porque las ondas sonoras están relacionadas con importantes propiedades elásticas, incluida la capacidad de resistir al «estrés».
Kostya Trachenko, por su parte, primer firmante del trabajo, asegura que «creemos que los hallazgos de este estudio podrán tener más aplicaciones científicas al ayudarnos a encontrar y comprender los límites de diferentes propiedades como la viscosidad o la conductividad térmica, relevantes para la superconductividad de altas temperaturas, el plasma que quark-gluones e incluso la física de los agujeros negros».