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Les physiciens ont découvert la limite de vitesse ultime du son

Par Leah Crane

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Les ondes sonores voyagent à travers les interactions entre les atomes, ce qui limite leur vitesse

Alex Drai / Alamy

La limite de vitesse universelle de tout type d'onde – qu'elle soit électromagnétique ou gravitationnelle – traversant le vide est connue depuis qu'Albert Einstein a développé sa théorie de la relativité restreinte en 1905. Mais la vitesse maximale du son se déplaçant à travers un solide ou un liquide vient de été calculé pour la première fois. Elle est d'environ 36 kilomètres par seconde, plus de 8000 fois inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide.

Pour faire ce calcul, Kostya Trachenko de l'Université Queen Mary de Londres et ses collègues ont commencé avec deux constantes physiques bien connues: le rapport de la masse du proton à la masse des électrons et la constante de structure fine, qui caractérise la force des interactions entre particules chargées.

Trachenko dit que nous avons une assez bonne idée de ces valeurs, car si elles étaient modifiées ne serait-ce qu'un peu, l'univers ne ressemblerait pas du tout à ce qu'il fait. «Si vous modifiez ces constantes de quelques pour cent, alors le proton pourrait ne plus être stable, et vous pourriez même ne pas avoir les processus dans les étoiles entraînant la synthèse d'éléments lourds, donc il n'y aurait pas de carbone, pas de vie,» il dit.

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Le son est une onde qui se propage en faisant interagir les particules voisines, de sorte que sa vitesse dépend de la densité d'un matériau et de la manière dont les atomes qu'il contient sont liés entre eux. Les atomes ne peuvent se déplacer que si rapidement, et la vitesse du son est limitée par ce mouvement.

Trachenko et ses collègues ont utilisé ce fait avec le rapport de masse proton-électron et la constante de structure fine pour calculer la vitesse maximale à laquelle le son pourrait théoriquement voyager dans tout liquide ou solide: environ 36 kilomètres par seconde.

"La sagesse commune était que le diamant a la vitesse de son la plus élevée, car c'est le matériau le plus dur, mais nous ne savions pas s'il y avait une limite fondamentale théorique à cela", dit Trachenko. La limite théorique est environ deux fois la vitesse du son dans un diamant.

La vitesse du son dépend également de la masse des atomes dans le matériau, de sorte que les chercheurs ont prédit que l'hydrogène métallique solide – un matériau qui existe théoriquement au centre des planètes géantes, mais pour lequel les preuves de laboratoire ont été vivement contestées – aurait dû la vitesse la plus élevée du son. Ils ont calculé qu'il devrait être proche de la limite théorique. Ils ont également examiné les données expérimentales de 133 matériaux et ont constaté qu'aucun d'entre eux ne dépassait la limite.

Cependant, Graeme Ackland de l’université d’Édimbourg au Royaume-Uni dit qu’il n’est pas clair que les calculs produisent une limite de vitesse. «Vous pouvez utiliser ces constantes fondamentales pour obtenir quelque chose avec des unités de vitesse, mais je ne vois pas tout à fait une bonne raison fondamentale pour laquelle il s’agit d’une limite. Je ne suis pas complètement convaincu. " Il dit que plus de travail est nécessaire pour trouver exactement comment cela s'applique au son se déplaçant à travers des éléments plus lourds.

Référence du journal: Progrès scientifiques, DOI: 10.1126 / sciadv.abc8662

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