Il suono può viaggiare nel vuoto? Musica delle sfere

Viene descritto un nuovo fenomeno nella materia condensata: il "salto" dei fononi da un corpo solido a un altro attraverso il vuoto. Grazie a ciò, un'onda sonora può superare sottili fessure nel vuoto e il calore può essere trasferito attraverso il vuoto miliardi di volte in modo più efficiente rispetto alla normale radiazione termica.

Un'onda sonora è una vibrazione sincrona degli atomi di una sostanza rispetto a una posizione di equilibrio. Perché il suono si propaghi, ovviamente, è necessario un mezzo materiale che supporti queste vibrazioni. Il suono non può viaggiare nel vuoto semplicemente perché non è lì. Tuttavia, come si è scoperto di recente, le vibrazioni sonore possono passare da un corpo all'altro attraverso uno spazio di vuoto di spessore inferiore al micron. Questo effetto, chiamato "tunneling sotto vuoto dei fononi", è stato descritto in due articoli pubblicati sugli ultimi numeri della rivista Lettere di revisione fisica. Notiamo subito che poiché le vibrazioni del reticolo cristallino trasportano non solo il suono, ma anche il calore, si verifica anche un nuovo effetto trasferimento di calore anormalmente forte attraverso il vuoto.

Il nuovo effetto funziona attraverso l'interazione tra le onde sonore nel cristallo e un campo elettrico. Le vibrazioni del reticolo cristallino, raggiungendo l'estremità di un cristallo, creano campi elettrici alternati vicino alla sua superficie. Questi campi vengono “sentiti” sull'altro bordo dello spazio vuoto e fanno oscillare le vibrazioni del reticolo nel secondo cristallo (vedi Fig. 1). In generale, sembra che un fonone separato - un "quanto" di vibrazione del reticolo cristallino - salti da un cristallo all'altro e si propaghi ulteriormente in esso, sebbene, ovviamente, non ci sia alcun fonone nello spazio tra i cristalli.

Gli autori della scoperta hanno usato la parola “tunneling” per descrivere l’effetto, poiché è molto simile al tunneling delle particelle quantistiche quando saltano attraverso regioni energeticamente proibite. Tuttavia, vale la pena sottolineare che il nuovo fenomeno può essere completamente descritto nel linguaggio della fisica classica e non richiede affatto il coinvolgimento della meccanica quantistica. È in qualche modo correlato al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, ampiamente utilizzato nei trasformatori, nei fornelli a induzione e nei dispositivi di ricarica senza contatto per gadget. In entrambi i casi, un determinato processo in un corpo genera campi elettromagnetici che vengono trasmessi in modo non radiativo (cioè senza perdita di potenza dovuta alle radiazioni) attraverso l'intercapedine al secondo corpo e provocano una risposta in esso. L'unica differenza è che con l'induttanza ordinaria la corrente elettrica “funziona” (cioè il movimento degli elettroni), mentre con il tunneling sotto vuoto dei fononi gli atomi stessi si muovono.

Il meccanismo specifico che porta ad un accoppiamento così efficace tra la vibrazione del cristallo e i campi elettrici può variare. In un articolo teorico di ricercatori finlandesi, si propone di utilizzare i piezoelettrici per questo scopo: sostanze che si elettrizzano quando deformate e si deformano in un campo elettrico. Questo di per sé non è sufficiente: per un salto efficace dei fononi attraverso lo spazio del vuoto, è necessario organizzare una risonanza tra i fononi “in entrata”, alternando campi elettrici e fononi “in fuga” in un altro cristallo. I calcoli mostrano che, dati parametri realistici delle sostanze, esiste effettivamente una tale risonanza, per cui con determinati angoli di incidenza i fononi possono creare tunnel con una probabilità fino al 100%.

Percepiamo i suoni a distanza dalle loro fonti. Di solito il suono ci raggiunge attraverso l'aria. L'aria è un mezzo elastico che trasmette il suono.

Se il mezzo di trasmissione del suono viene rimosso tra la sorgente e il ricevitore, il suono non si propagherà e, quindi, il ricevitore non lo percepirà. Dimostriamolo sperimentalmente.

Mettiamo una sveglia sotto la campana della pompa dell'aria (Fig. 80). Finché c'è aria nella campana, si sente chiaramente il suono della campana. Man mano che l'aria viene pompata fuori da sotto la campana, il suono si attenua gradualmente e alla fine diventa impercettibile. Senza un mezzo di trasmissione le vibrazioni della campana non possono propagarsi e il suono non arriva al nostro orecchio. Facciamo entrare aria sotto il campanello e sentiamo di nuovo il suono.

Riso. 80. Esperimento che dimostra che il suono non si propaga nello spazio dove non esiste un mezzo materiale

Le sostanze elastiche conducono bene i suoni, come metalli, legno, liquidi e gas.

Mettiamo un orologio da tasca su un'estremità di una tavola di legno e spostiamoci sull'altra estremità. Avvicinando l'orecchio al tabellone si sente il ticchettio dell'orologio.

Lega una corda a un cucchiaio di metallo. Posiziona l'estremità del filo all'orecchio. Quando colpisci il cucchiaio, sentirai un suono forte. Sentiremo un suono ancora più forte se sostituiamo la corda con il filo.

I corpi molli e porosi sono cattivi conduttori del suono. Per proteggere qualsiasi stanza dalla penetrazione di suoni estranei, le pareti, il pavimento e il soffitto sono posati con strati di materiali fonoassorbenti. Come interstrati vengono utilizzati feltro, sughero pressato, pietre porose e vari materiali sintetici (ad esempio polistirolo espanso) realizzati con polimeri espansi. Il suono in tali strati svanisce rapidamente.

I liquidi conducono bene il suono. I pesci, ad esempio, sono bravi a sentire i passi e le voci sulla riva; questo lo sanno i pescatori esperti.

Quindi, il suono si propaga in qualsiasi mezzo elastico: solido, liquido e gassoso, ma non può propagarsi nello spazio dove non c'è sostanza.

Le oscillazioni della sorgente creano un'onda elastica di frequenza sonora nel suo ambiente. L'onda, raggiungendo l'orecchio, colpisce il timpano facendolo vibrare ad una frequenza corrispondente a quella della sorgente sonora. Le vibrazioni del timpano vengono trasmesse attraverso il sistema ossiculare alle terminazioni del nervo uditivo, irritandole e provocando così la sensazione del suono.

Ricordiamo che nei gas e nei liquidi possono esistere solo onde elastiche longitudinali. Il suono nell'aria, ad esempio, viene trasmesso da onde longitudinali, cioè dall'alternanza di condensazioni e rarefazioni dell'aria proveniente dalla sorgente sonora.

Un'onda sonora, come qualsiasi altra onda meccanica, non si propaga nello spazio istantaneamente, ma ad una certa velocità. Puoi verificarlo, ad esempio, osservando gli spari da lontano. Prima vediamo fuoco e fumo, poi dopo un po' sentiamo il rumore di uno sparo. Il fumo appare nello stesso momento in cui si verifica la prima vibrazione sonora. Misurando l’intervallo di tempo t tra il momento in cui appare il suono (il momento in cui appare il fumo) e il momento in cui raggiunge l’orecchio, possiamo determinare la velocità di propagazione del suono:

Le misurazioni mostrano che la velocità del suono nell'aria a 0 °C e alla normale pressione atmosferica è di 332 m/s.

Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità del suono nei gas. Ad esempio, a 20 °C la velocità del suono nell'aria è 343 m/s, a 60 °C - 366 m/s, a 100 °C - 387 m/s. Ciò è spiegato dal fatto che con l'aumentare della temperatura aumenta l'elasticità dei gas e maggiori sono le forze elastiche che si presentano nel mezzo durante la sua deformazione, maggiore è la mobilità delle particelle e le vibrazioni più veloci vengono trasmesse da un punto all'altro.

La velocità del suono dipende anche dalle proprietà del mezzo in cui viaggia il suono. Ad esempio, a 0 °C la velocità del suono nell'idrogeno è di 1284 m/s e nell'anidride carbonica di 259 m/s, poiché le molecole di idrogeno sono meno massicce e meno inerti.

Al giorno d'oggi, la velocità del suono può essere misurata in qualsiasi ambiente.

Le molecole nei liquidi e nei solidi sono più vicine tra loro e interagiscono più fortemente delle molecole di gas. Pertanto, la velocità del suono nei mezzi liquidi e solidi è maggiore che nei mezzi gassosi.

Poiché il suono è un'onda, per determinare la velocità del suono, oltre alla formula V = s/t, puoi utilizzare le formule che conosci: V = λ/T e V = vλ. Quando si risolvono i problemi, la velocità del suono nell'aria viene solitamente considerata pari a 340 m/s.

Domande

1. Qual è lo scopo dell'esperimento illustrato nella Figura 80? Descrivi come viene eseguito questo esperimento e quale conclusione ne consegue.
2. Il suono può propagarsi nei gas, nei liquidi e nei solidi? Supporta le tue risposte con esempi.
3. Quali corpi conducono meglio il suono: elastici o porosi? Fornire esempi di corpi elastici e porosi.
4. Che tipo di onda, longitudinale o trasversale, si propaga nell'aria? in acqua?
5. Fai un esempio che mostri che un'onda sonora non viaggia istantaneamente, ma ad una certa velocità.

Esercizio 30

1. Il rumore di un'enorme esplosione sulla Luna potrebbe essere udito sulla Terra? Giustifica la tua risposta.
2. Se leghi metà del portasapone a ciascuna estremità del filo, utilizzando un telefono del genere puoi persino parlare sottovoce mentre sei in stanze diverse. Spiegare il fenomeno.
3. Determina la velocità del suono nell'acqua se una sorgente che oscilla con un periodo di 0,002 s eccita onde nell'acqua con una lunghezza di 2,9 m.
4. Determina la lunghezza d'onda di un'onda sonora con una frequenza di 725 Hz nell'aria, nell'acqua e nel vetro.
5. Un'estremità di un lungo tubo metallico veniva colpita una volta con un martello. Il suono dell'impatto si diffonderà alla seconda estremità del tubo attraverso il metallo? attraverso l'aria all'interno del tubo? Quanti colpi sentirà una persona che sta all'altra estremità del tubo?
6. Un osservatore in piedi vicino a un tratto rettilineo della ferrovia ha visto il vapore sopra il fischio di una locomotiva a vapore che correva in lontananza. 2 secondi dopo la comparsa del vapore, si udì il suono di un fischio e dopo 34 secondi la locomotiva passò accanto all'osservatore. Determinare la velocità della locomotiva.

Il primo pensiero sulla musica cosmica dello spazio è molto semplice: lì non c'è affatto musica e non può esserci. Silenzio. I suoni propagano vibrazioni di particelle d'aria, liquide o solide, e nello spazio, per la maggior parte, c'è solo vuoto, vuoto. Non c’è nulla su cui esitare, nulla da suonare, nessuna musica da cui possa venire: “Nello spazio nessuno ascolterà il tuo grido”. Sembra che l'astrofisica e i suoni siano storie completamente diverse.

È improbabile che Wanda Diaz-Merced, astrofisica dell’Osservatorio Astronomico sudafricano che studia i lampi di raggi gamma, sia d’accordo. All'età di 20 anni perse la vista e la sua unica possibilità di rimanere nella sua scienza preferita era imparare ad ascoltare lo spazio, cosa che Diaz-Merced fece bene. Insieme ai suoi colleghi, ha realizzato un programma che traduceva vari dati sperimentali dal suo campo (ad esempio, le curve di luce - la dipendenza dell'intensità della radiazione di un corpo cosmico nel tempo) in piccole composizioni, una sorta di analoghi sonori dei soliti grafici visivi. Ad esempio, per le curve di luce, l'intensità è stata tradotta in una frequenza del suono che cambiava nel tempo: Wanda ha preso dati digitali e ha confrontato i suoni con essi.

Naturalmente, per gli estranei, questi suoni, simili al lontano suono delle campane, suonano un po' strani, ma Wanda ha imparato a "leggere" le informazioni crittografate in essi così bene che continua a studiare bene l'astrofisica e spesso scopre anche schemi che sfuggono i suoi colleghi vedenti. Sembra che la musica cosmica possa raccontare molte cose interessanti sul nostro Universo.

Rover su Marte e altre apparecchiature: il battistrada meccanico dell'umanità

La tecnica utilizzata da Diaz-Merced si chiama sonificazione: traduce matrici di dati in segnali audio, ma nello spazio ci sono molti suoni molto reali, non sintetizzati da algoritmi. Alcuni di essi sono associati a oggetti creati dall'uomo: gli stessi rover strisciano lungo la superficie del pianeta non nel vuoto completo, e quindi inevitabilmente producono suoni.

Puoi sentire cosa ne viene fuori sulla Terra. Così, il musicista tedesco Peter Kirn ha trascorso diversi giorni nei laboratori dell'Agenzia spaziale europea e lì ha registrato una piccola raccolta di suoni provenienti da vari test. Ma solo quando li ascolti, devi sempre apportare mentalmente una piccola correzione: fa più freddo su Marte che sulla Terra, e la pressione atmosferica è molto più bassa, e quindi tutti i suoni suonano molto più bassi rispetto alle loro controparti terrestri.

Un altro modo per sentire i suoni delle nostre macchine alla conquista dello spazio è un po’ più complicato: è possibile installare sensori che registrano le vibrazioni acustiche che si propagano non attraverso l’aria, ma direttamente nella carrozzeria dei veicoli. È così che gli scienziati hanno ricostruito il suono con cui la navicella spaziale Philae è scesa in superficie nel 2014: un breve "botto" elettronico, come se uscisse dai giochi per la console Dandy.

Ambient ISS: tecnologia sotto controllo

Lavatrice, automobile, treno, aereo: un ingegnere esperto può spesso capire se qualcosa non va dai suoni emessi, e sono sempre più numerose le aziende che trasformano la diagnostica acustica in uno strumento importante e potente. Anche i suoni di origine cosmica vengono utilizzati per scopi simili. Ad esempio, l'astronauta belga Frank De Winne afferma che sulla ISS vengono spesso effettuate registrazioni audio di apparecchiature operative, che vengono inviate sulla Terra per monitorare il funzionamento della stazione.

Buco nero: il suono più profondo sulla Terra

L'udito umano è limitato: percepiamo suoni con frequenze da 16 a 20.000 Hz e tutti gli altri segnali acustici ci sono inaccessibili. Ci sono molti segnali acustici nello spazio che vanno oltre le nostre capacità. Uno dei più famosi è prodotto da un buco nero supermassiccio nell'ammasso galattico di Perseo - un suono incredibilmente basso che corrisponde a vibrazioni acustiche con un periodo di dieci milioni di anni (per confronto, una persona può rilevare onde acustiche con un periodo di massimo cinque centesimi di secondo).

È vero, questo suono stesso, nato dalla collisione di getti ad alta energia di un buco nero e particelle di gas attorno ad esso, non ci ha raggiunto: è stato strangolato dal vuoto del mezzo interstellare. Così gli scienziati hanno ricostruito questa melodia lontana da prove indirette quando il telescopio orbitante a raggi X Chandra ha osservato giganteschi cerchi concentrici nella nube di gas attorno a Perseo: aree di alte e basse concentrazioni di gas create da onde acustiche incredibilmente potenti provenienti dal buco nero.

Onde gravitazionali: suoni di diversa natura

A volte gli oggetti astronomici massicci emettono un tipo speciale di onde intorno a loro: lo spazio intorno a loro si comprime o si decomprime e queste vibrazioni viaggiano attraverso l'intero Universo alla velocità della luce. Il 14 settembre 2015, un’onda del genere è arrivata sulla Terra: strutture lunghe chilometri di rilevatori di onde gravitazionali si sono allungate e compresse in frazioni evanescenti di micron mentre le onde gravitazionali provenienti dalla fusione di due buchi neri a miliardi di anni luce dalla Terra le attraversavano. Solo poche centinaia di milioni di dollari (il costo dei telescopi gravitazionali che catturano le onde è stimato a circa 400 milioni di dollari) e abbiamo toccato la storia universale.

La cosmologa Janna Levin ritiene che se fossimo (sfortunatamente) più vicini a questo evento, allora sarebbe molto più facile rilevare le onde gravitazionali: causerebbero semplicemente vibrazioni nei timpani, percepite dalla nostra coscienza come suono. Il gruppo di Levin ha persino simulato questi suoni: la melodia di due buchi neri che si fondono a una distanza inimmaginabile. Basta non confonderlo con gli altri famosi suoni delle onde gravitazionali: brevi esplosioni elettroniche che si interrompono a metà della frase. Si tratta solo di sonificazione, cioè di onde acustiche con le stesse frequenze e ampiezze dei segnali gravitazionali registrati dai rilevatori.

In una conferenza stampa a Washington, gli scienziati hanno persino incluso un suono allarmante proveniente da questa collisione da una distanza inimmaginabilmente lontana, ma era solo una bellissima emulazione di ciò che sarebbe successo se i ricercatori non avessero registrato un'onda gravitazionale, ma esattamente la stessa in tutti i parametri (frequenza, ampiezza, forma) dell'onda sonora.

Cometa Churyumov - Gerasimenko: sintetizzatore gigante

Non notiamo come gli astrofisici nutrono la nostra immaginazione con immagini visive migliorate. Immagini colorate da diversi telescopi, animazioni, modelli e fantasie impressionanti. In realtà, tutto nello spazio è più modesto: più scuro, più fioco e senza voce fuori campo, ma per qualche motivo le interpretazioni visive dei dati sperimentali creano molto meno confusione di azioni simili con i suoni.

Forse le cose cambieranno presto. Già adesso, la sonificazione spesso aiuta gli scienziati a vedere (o meglio, a "ascoltare" - questi sono i pregiudizi racchiusi nel linguaggio) nuovi modelli sconosciuti nei loro risultati. Pertanto, i ricercatori sono rimasti sorpresi dal canto della cometa Churyumov - Gerasimenko - oscillazioni del campo magnetico con frequenze caratteristiche da 40 a 50 MHz, tradotte in suoni, per cui la cometa è addirittura paragonata a una sorta di sintetizzatore gigante, che tesse la sua melodia non da una corrente elettrica alternata, ma da campi magnetici variabili.

Il fatto è che la natura di questa musica non è ancora chiara, poiché la cometa stessa non ha un proprio campo magnetico. Forse queste fluttuazioni dei campi magnetici sono il risultato dell'interazione del vento solare e delle particelle che volano dalla superficie della cometa nello spazio, ma questa ipotesi non è stata completamente confermata.

Pulsar: il battito delle civiltà extraterrestri

La musica cosmica è strettamente intrecciata con il misticismo. Suoni misteriosi sulla Luna, notati dagli astronauti della missione Apollo 10 (molto probabilmente si trattava di interferenze radio), i canti dei pianeti “che si diffondevano nella mente in ondate di calma”, l'armonia delle sfere, infine - Non è facile resistere alle fantasie quando si esplorano le vaste distese dello spazio. Una storia simile è accaduta con la scoperta delle pulsar radio: metronomi universali, che emettono sistematicamente potenti impulsi radio.

Questi oggetti furono notati per la prima volta nel 1967, e poi gli scienziati li scambiarono per giganteschi trasmettitori radio di una civiltà extraterrestre, ma ora siamo quasi sicuri che si tratti di stelle di neutroni compatte, che battono il loro ritmo radio per milioni di anni. Tam-tam-tam: questi impulsi possono essere tradotti in suoni, proprio come una radio trasforma le onde radio in musica per ottenere un ritmo cosmico.

Spazio interstellare e ionosfera di Giove: canti del vento e del plasma

Molti altri suoni sono generati dal vento solare: flussi di particelle cariche provenienti dalla nostra stella. Per questo canta la ionosfera di Giove (si tratta di fluttuazioni sonificate nella densità del plasma che costituisce la ionosfera), gli anelli di Saturno e persino lo spazio interstellare.

Nel settembre 2012, la sonda spaziale "" ha appena lasciato il sistema solare e ha trasmesso un segnale bizzarro alla terra. Flussi di vento solare interagivano con il plasma dello spazio interstellare, generando oscillazioni caratteristiche di campi elettrici che potevano essere sonificati. Un rumore monotono e aspro che si trasforma in un fischio metallico.

Forse non lasceremo mai il nostro sistema solare, ma ora abbiamo qualcosa di diverso dalle astrofotografie colorate. Melodie stravaganti che raccontano il mondo oltre il nostro pianeta blu.

Nella sezione dedicata alla domanda Il suono non viaggia nel vuoto? dato dall'autore Neuropatologo la risposta migliore è Luce e suono nel vuoto
Perché la luce viaggia nel vuoto ma il suono no?
L'esperto di SEED Claude Beaudoin risponde:
La luce è un'onda elettromagnetica, una combinazione di campi elettrici e magnetici, che non richiede la presenza di gas per propagarsi.
Il suono è il risultato di un'onda di pressione. La pressione richiede la presenza di alcune sostanze (ad esempio l'aria). Il suono viaggia anche in altre sostanze: nell'acqua, nella crosta terrestre e passa attraverso i muri, cosa che potresti notare quando i tuoi vicini fanno rumore.
Michael Williams dice:
La luce è fondamentalmente energia elettromagnetica trasportata da particelle fondamentali: i fotoni. Questa situazione è caratterizzata come “dualità onda-particella” del comportamento ondulatorio. Ciò significa che si comporta sia come un'onda che come una particella. Quando la luce si propaga nel vuoto, il fotone si comporta come una particella e quindi si propaga liberamente in questo mezzo.
D'altra parte, il suono è vibrazione. Il suono che sentiamo è il risultato della vibrazione del timpano. Il suono emesso da una radio è il risultato della vibrazione della membrana dell'altoparlante. La membrana si muove avanti e indietro, facendo vibrare l'aria attorno ad essa. Le vibrazioni dell'aria viaggiano, raggiungono il timpano e lo fanno vibrare. La vibrazione del timpano viene convertita dal cervello in un suono riconoscibile.
Pertanto, il suono richiede la presenza della materia per vibrare. Nel vuoto ideale non c'è nulla che possa vibrare, quindi la membrana vibrante di un ricevitore radio non può trasmettere il suono.
L'esperta SEED Natalie Famiglietti aggiunge:
La propagazione del suono è movimento; La propagazione della luce è radiazione o emissione.
Il suono non può viaggiare nel vuoto a causa della mancanza di un mezzo elastico. Lo scienziato britannico Robert Boyle lo scoprì sperimentalmente nel 1660. Mise un orologio in un barattolo e ne pompò l'aria. Dopo aver ascoltato, non riusciva a distinguere il ticchettio.