Les scientifiques trouvent une limite supérieure théorique à la vitesse du son

Autour de 35 km par seconde, la valeur est 100 fois supérieure à la vitesse du son dans l’air.

Une collaboration de recherche entre l’Université Queen Mary de Londres, l’Université de Cambridge et l’Institut de physique des hautes pressions de Troitsk a permis de découvrir la vitesse du son la plus rapide possible.

Le résultat – environ 36 km par seconde – est environ deux fois plus rapide que la vitesse du son dans le diamant, le matériau le plus dur connu au monde.

Les ondes, telles que les ondes sonores ou lumineuses, sont des perturbations qui déplacent l’énergie d’un endroit à un autre. Les ondes sonores peuvent traverser différents milieux, tels que l’air ou l’eau, et se déplacent à des vitesses différentes selon ce qu’elles traversent. Par exemple, elles traversent les solides beaucoup plus rapidement que les liquides ou les gaz. C’est pourquoi vous pouvez entendre un train qui approche beaucoup plus rapidement si vous écoutez le son qui se propage dans la voie ferrée plutôt que dans l’air.

La théorie de la relativité spéciale d’Einstein fixe la limite absolue de la vitesse à laquelle une onde peut se déplacer, qui est la vitesse de la lumière, et est égale à environ 300 000 km par seconde. Cependant, jusqu’à présent, on ne savait pas si les ondes sonores avaient également une limite de vitesse supérieure lorsqu’elles se déplaçaient à travers des solides ou des liquides.

L’étude, publiée dans la revue Science Advances, montre que la prédiction de la limite supérieure de la vitesse du son dépend de deux constantes fondamentales sans dimension : la constante de structure fine et le rapport de masse proton/électron.

On sait déjà que ces deux nombres jouent un rôle important dans la compréhension de notre Univers. Leurs valeurs finement ajustées régissent les réactions nucléaires telles que la désintégration des protons et la synthèse nucléaire dans les étoiles, et l’équilibre entre les deux nombres fournit une « zone habitable » étroite où les étoiles et les planètes peuvent se former et où les structures moléculaires vitales peuvent émerger. Cependant, les nouvelles découvertes suggèrent que ces deux constantes fondamentales peuvent également influencer d’autres domaines scientifiques, tels que la science des matériaux et la physique de la matière condensée, en fixant des limites à des propriétés spécifiques des matériaux telles que la vitesse du son.

Les scientifiques ont testé leur prédiction théorique sur un large éventail de matériaux et ont abordé une prédiction spécifique de leur théorie, à savoir que la vitesse du son devrait diminuer avec la masse de l’atome. Cette prédiction implique que le son est le plus rapide dans l’hydrogène atomique solide. Cependant, l’hydrogène est un solide atomique à très haute pression, au-dessus d’un million d’atmosphères seulement, une pression comparable à celle du cœur des géants gazeux comme Jupiter. À ces pressions, l’hydrogène devient un solide métallique fascinant, conduisant l’électricité tout comme le cuivre et on prévoit qu’il sera un supraconducteur à température ambiante. Les chercheurs ont donc effectué des calculs de mécanique quantique de pointe pour tester cette prédiction et ont découvert que la vitesse du son dans l’hydrogène atomique solide est proche de la limite fondamentale théorique.

Le professeur Chris Pickard, professeur de science des matériaux à l’université de Cambridge, a déclaré « Les ondes sonores dans les solides sont déjà extrêmement importantes dans de nombreux domaines scientifiques. Par exemple, les sismologues utilisent les ondes sonores déclenchées par les tremblements de terre dans les profondeurs de la Terre pour comprendre la nature des événements sismiques et les propriétés de la composition de la Terre. Elles intéressent également les spécialistes des matériaux, car les ondes sonores sont liées à d’importantes propriétés élastiques, notamment la capacité de résister aux contraintes ».

Le professeur Kostya Trachenko, professeur de physique au Queen Mary, a ajouté : « Nous pensons que les résultats de cette étude pourraient avoir d’autres applications scientifiques en nous aidant à trouver et à comprendre les limites de différentes propriétés telles que la viscosité et la conductivité thermique, pertinentes pour la supraconductivité à haute température, le plasma quark-gluon et même la physique des trous noirs ».

 

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