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Le onde sonore trasportano massa

Onde sonore ordinarie, piccole oscillazioni di densità, possono propagarsi attraverso tutti i fluidi, provocando la compressione delle molecole nel fluido a intervalli regolari. Ora i fisici hanno teoricamente dimostrato che nei fluidi quantici unidimensionali non uno, ma due tipi di onde sonore possono propagarsi. Entrambi i tipi di onde si muovono approssimativamente alla stessa velocità, ma sono combinazioni di onde di densità e onde di temperatura.

I fisici, Konstantin Matveev presso l’Argonne National Laboratory e Anton Andreev presso l’Università di Washington, a Seattle, hanno pubblicato un articolo sulle onde sonore ibride in liquidi quantici.

“I liquidi monodimensionali hanno proprietà quantiche affascinanti che sono state studiate dai fisici per decenni”, ha detto Matveev a Phys.org . “Abbastanza sorprendentemente, siamo stati in grado di dimostrare che anche in questi liquidi anche un fenomeno essenzialmente classico come il suono è molto insolito, il nostro lavoro implica che anche le più semplici proprietà classiche di un fluido possono essere fortemente influenzate dalla sua natura quantica.”

Sebbene i fluidi classici generalmente supportino solo un tipo di onda sonora (un’onda di densità ), un’eccezione è l’elio liquido. Come un superfluido, l’elio liquido può fluire senza attrito, il che gli conferisce la capacità di scorrere lungo i lati del suo contenitore, oltre ad altre proprietà insolite. A differenza dei fluidi classici, l’elio superfluido supporta due tipi di onde sonore – un’onda di densità e un’onda di temperatura – che si propagano a velocità diverse.

Come spiegano i fisici, in qualche modo i fluidi quantici unidimensionali sono simili all’elio superfluido , poiché entrambi i fluidi supportano due tipi di onde sonore. In altri modi, tuttavia, sono piuttosto diversi: invece di un’onda sonora che è un’onda di densità e l’altra onda sonora è un’onda di temperatura, le due onde sonore combinano ciascuna le caratteristiche di entrambe le onde di densità e temperatura. Questa natura ibrida delle onde sonore in liquidi quantici unidimensionali è diversa dalla natura delle onde sonore in qualsiasi altro fluido , incluso l’elio liquido . Inoltre, gli scienziati hanno dimostrato che le due onde sonore ibride si propagano a velocità quasi uguali, con la differenza di velocità a seconda della temperatura.

In futuro, i fisici si aspettano che queste onde sonore ibride possano essere dimostrate sperimentalmente in lunghi cavi quantici o trappole atomiche, in cui sono noti i liquidi quantici unidimensionali.

Molte teorie descrivono le onde sonore come più di un evento collettivo che come cose fisiche. Sono visti come il movimento di molecole che si scontrano l’un l’altro come sfere su un tavolo da biliardo: l’energia di una palla che batte l’altra, e così via – qualsiasi movimento in una direzione viene compensato dal movimento nella direzione opposta. In tale modello, il suono non ha massa e quindi non può essere influenzato dalla gravità . Ma potrebbe esserci di più nella storia. Nel loro articolo, i ricercatori suggeriscono che la teoria attuale non spiega completamente tutto ciò che è stato osservato.

Negli ultimi anni, i fisici hanno inventato una parola per descrivere il comportamento delle onde sonore su una scala molto piccola: il phonon. Descrive il modo in cui le vibrazioni sonore causano complicate interazioni con le molecole, il che consente al suono di propagarsi. Il termine è stato utile perché consente di applicare i principi al suono precedentemente applicati alle particelle reali. Ma nessuno ha suggerito che in realtà sono particelle, il che significa che non dovrebbero avere massa. In questo nuovo sforzo, i ricercatori suggeriscono che il fonone potrebbe avere massa negativa e, a causa di ciò, potrebbe anche avere una gravità negativa.

Per capire come ciò sia possibile, i ricercatori utilizzano un contenitore pieno di liquido come esempio. In una tazza d’acqua, le particelle d’acqua sono più dense nel fondo della coppa rispetto a quelle nella parte superiore, perché la gravità le sta tirando verso il basso. Ma è anche comunemente noto che il suono si muove più velocemente quando si muove attraverso un materiale più denso. Quindi cosa succede al fonone quando incontra questa differenza? I ricercatori suggeriscono che sarebbe deviato verso l’alto, esibendo qualità di gravità negativa. Suggeriscono inoltre che la stessa cosa potrebbe accadere con il suono nell’aria che ci circonda, facendolo salire leggermente. Riconoscono che tale aumento sarebbe troppo piccolo per le attuali apparecchiature da misurare, ma si noti che i miglioramenti della tecnologia potrebbero presto dimostrare la validità della loro teoria .

Un trio di ricercatori della Columbia University ha trovato più prove che dimostrano che le onde sonore portano massa. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters , Angelo Esposito, Rafael Krichevsky e Alberto Nicolis descrivono l’uso di efficaci tecniche di teoria del campo per confermare i risultati trovati da una squadra l’anno scorso che tentano di misurare la massa trasportata dalle onde sonore.

Per molti anni i fisici si sono sentiti sicuri che le onde sonore portano energia, ma non ci sono prove che suggeriscano che abbiano anche massa . Non sembrava esserci alcuna ragione per credere che avrebbero generato un campo gravitazionale . Ma quello è cambiato l’anno scorso quando Nicolis e un altro fisico Riccardo Penco hanno trovato prove che suggerivano che il pensiero convenzionale fosse sbagliato. Avevano usato la teoria dei campi quantistici per dimostrare che le onde sonore che si muovevano attraverso l’ elio superfluido portavano con sé una piccola quantità di massa. Più specificamente, hanno scoperto che i fononi interagivano con un campo gravitazionale in un modo che li costringeva a trasportare massa mentre si muovevano attraverso il materiale. In questo nuovo sforzo, i ricercatori riportano prove che suggeriscono che gli stessi risultati valgono per la maggior parte dei materiali.

Usando una teoria del campo efficace, hanno mostrato che un’onda sonora da un solo watt che si muoveva per un secondo in acqua portava con sé una massa di circa 0,1 milligrammi. Essi notano inoltre che la massa è risultata essere una frazione della massa totale di un sistema che si è mosso con l’onda, poiché è stata spostata da un sito all’altro.

È importante sottolineare che i ricercatori non hanno effettivamente misurato la massa trasportata da un’onda sonora, hanno usato la matematica per dimostrare che ciò accade. Per la misurazione del mondo reale, suggeriscono che gli esperimenti potrebbero essere condotti con le onde sonore mentre si muovono attraverso un condensato di Bose-Einstein fatto di atomi molto freddi – tale configurazione dovrebbe mostrare una massa sufficiente per consentire la misurazione. Ma notano anche che un approccio migliore potrebbe essere quello di misurare la massa trasportata dalle onde sonore che si muovono attraverso la Terra come parte di un terremoto. Quel suono potrebbe trasportare miliardi di chilogrammi di massa, che potrebbero essere visibili su dispositivi che misurano campi gravitazionali

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