Suono nel vuoto. Musica delle Sfere Rappresentazione grafica di un'onda invisibile

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%.

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.

Perché il suono non si sente sempre? La distanza tra la sorgente sonora e il ricevitore. 1 m. 4m. 8m. 13m. Registrazione audio del suono. 1. 2. 3. 4. Conclusione: il suono non può viaggiare su una distanza arbitrariamente grande, perché le vibrazioni delle particelle d'aria si estinguono nel tempo. Per un ascoltatore lontano dalla sorgente sonora, potrebbe non essere udibile.

Diapositiva 24 dalla presentazione "Il magico mondo dei suoni". La dimensione dell'archivio con la presentazione è di 2834 KB.

Fisica 7a elementare

riepilogo di altre presentazioni

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“Stato di aggregazione” - Il quarto stato di aggregazione di una sostanza è spesso considerato plasma. Stato gassoso. Presentazione sul tema: “Stati aggregativi della materia”. In un termometro, il mercurio è un liquido. Manuale. Vicino alla Terra, il plasma esiste sotto forma di vento solare e ionosfera. Puchkarevskij Ilya. Stato liquido. Plasma. L'ampiezza della vibrazione è solitamente piccola rispetto alle distanze interatomiche. Stato solido. Il liquido è uno stato di aggregazione di una sostanza, intermedio tra solido e gassoso.

"Somma di due forze" - Motivo in rilievo profondo. La risultante di due forze uguali e dirette in senso opposto. Dai un nome alle forze mostrate in figura. La risultante di due forze che agiscono su un corpo lungo una linea retta. Traguardi e obbiettivi. Etichetta le forze con le lettere appropriate. Dimostrazione di esperienza. La somma di due forze dirette su una linea retta. Quiz. La risultante di due forze dirette su una linea retta. Risoluzione dei problemi.

“Evaporazione e condensazione di liquidi” - Quali sono i principi di base della teoria molecolare della struttura della materia. Imparare nuovo materiale. Evaporazione e condensazione. Cosa determina la velocità di evaporazione? Maggiore è la superficie del liquido, più rapida sarà l'evaporazione. Uscendo dal fiume in una giornata calda, ti senti fresco. La condensazione è il fenomeno della trasformazione del vapore in liquido. L'evaporazione è il fenomeno di trasformazione di un liquido in vapore. Controllo in entrata.

Il suono viaggia attraverso le onde sonore. Queste onde viaggiano non solo attraverso gas e liquidi, ma anche attraverso i solidi. L'azione di qualsiasi onda consiste principalmente nel trasferimento di energia. Nel caso del suono, il trasferimento avviene sotto forma di piccolissimi movimenti a livello molecolare.

Nei gas e nei liquidi, un'onda sonora muove le molecole nella direzione del suo movimento, cioè nella direzione della lunghezza d'onda. Nei solidi, le vibrazioni sonore delle molecole possono verificarsi anche in una direzione perpendicolare all'onda.

Le onde sonore viaggiano dalle loro sorgenti in tutte le direzioni, come mostrato nell'immagine a destra, che mostra una campana di metallo che scontra periodicamente con la sua lingua. Queste collisioni meccaniche fanno vibrare la campana. L'energia delle vibrazioni viene trasmessa alle molecole dell'aria circostante e queste vengono allontanate dalla campana. Di conseguenza, la pressione aumenta nello strato d'aria adiacente alla campana, che poi si diffonde a ondate in tutte le direzioni dalla sorgente.

La velocità del suono è indipendente dal volume o dal tono. Tutti i suoni provenienti da una radio in una stanza, siano essi forti o deboli, acuti o bassi, raggiungono l'ascoltatore contemporaneamente.

La velocità del suono dipende dal tipo di mezzo in cui viaggia e dalla sua temperatura. Nei gas, le onde sonore viaggiano lentamente perché la loro struttura molecolare rarefatta offre poca resistenza alla compressione. Nei liquidi la velocità del suono aumenta e nei solidi diventa ancora più veloce, come mostrato nel diagramma sottostante in metri al secondo (m/s).

Percorso dell'onda

Le onde sonore viaggiano attraverso l'aria in un modo simile a quello mostrato nei diagrammi a destra. I fronti d'onda si muovono dalla sorgente ad una certa distanza l'uno dall'altro, determinata dalla frequenza delle vibrazioni della campana. La frequenza di un'onda sonora si determina contando il numero di fronti d'onda che attraversano un dato punto nell'unità di tempo.

Il fronte dell'onda sonora si allontana dalla campana vibrante.

Nell’aria riscaldata uniformemente il suono viaggia a velocità costante.

Il secondo fronte segue il primo ad una distanza pari alla lunghezza d'onda.

L'intensità del suono è massima in prossimità della sorgente.

Rappresentazione grafica di un'onda invisibile

Scandaglio sonoro delle profondità

Un raggio sonar di onde sonore attraversa facilmente l'acqua dell'oceano. Il principio del sonar si basa sul fatto che le onde sonore vengono riflesse dal fondo dell'oceano; Questo dispositivo viene solitamente utilizzato per determinare le caratteristiche del terreno sottomarino.

Solidi elastici

Il suono viaggia in una piastra di legno. Le molecole della maggior parte dei solidi sono legate in un reticolo spaziale elastico, che è scarsamente compresso e allo stesso tempo accelera il passaggio delle onde sonore.

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: frammenti di 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.