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

É impossível medir a velocidade do som em todos os materiais existentes, mas os cientistas agora conseguiram estabelecer um limite superior 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 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 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 usá-lo para entender o interior das estrelas.

“As ondas sonoras em sólidos já são 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 iniciadas por terremotos profundos no interior da Terra para entender a natureza dos eventos sísmicos e as propriedades da composição da Terra. Eles também são de interesse para cientistas de materiais porque as ondas sonoras estão relacionadas a propriedades elásticas importantes, incluindo o capacidade de resistir ao estresse.”

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

É aqui 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 Institute for High Pressure Physics 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 carregadas elementares; e a razão de massa próton-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 de massa próton-elétron, e o equilíbrio entre eles, governam reações nucleares, como decaimento de prótons e síntese nuclear em estrelas, levando à criação dos elementos bioquímicos essenciais, incluindo carbono. Este equilíbrio fornece uma estreita ‘zona habitável’ no espaço onde estrelas e planetas podem se formar e estruturas moleculares de suporte de vida podem emergir”, escreveram os pesquisadores em seu artigo.

“Mostramos que uma combinação simples da constante de estrutura fina e a razão de massa próton-elétron resulta em outra quantidade adimensional que tem uma implicação inesperada e específica para 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 retornou 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 mais amplo.

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

A pesquisa foi publicada na Science Advances.

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