Les physiciens trouvent la limite supérieure de la vitesse du son dans les solides et les liquides

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En utilisant deux constantes fondamentales sans dimension, une équipe internationale de physiciens a calculé la vitesse du son la plus rapide possible dans les phases condensées (solides et liquides) : 36 km par seconde (22,4 miles par seconde).

Trachenko et al. montrent que la combinaison de deux constantes fondamentales sans dimension donne lieu à une nouvelle constante sans dimension qui fournit la limite supérieure de la vitesse du son dans les phases condensées. Crédit image : Gerd Altmann.

Trachenko et al. montrent qu’une combinaison de deux constantes fondamentales sans dimension donne lieu à une nouvelle constante sans dimension qui fournit la limite supérieure de la vitesse du son dans les phases condensées. Crédit image : Gerd Altmann.

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 se déplacer dans différents milieux, tels que l’air ou l’eau, et se déplacent à des vitesses différentes en fonction de ce qu’elles traversent.

Par exemple, elles se déplacent à travers les solides beaucoup plus rapidement qu’à travers les liquides ou les gaz, ce qui explique pourquoi vous pouvez entendre un train qui approche beaucoup plus rapidement si vous écoutez le son se propager dans la voie ferrée plutôt que dans l’air.

La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein fixe la limite de vitesse absolue à laquelle une onde peut se déplacer, à savoir la vitesse de la lumière, qui est égale à environ 300 000 km par seconde (186 000 miles par seconde).

Cependant, jusqu’à présent, on ne savait pas si les ondes sonores avaient également une limite de vitesse supérieure lorsqu’elles traversent des solides ou des liquides.

“Les ondes sonores dans les solides sont déjà extrêmement importantes dans de nombreux domaines scientifiques”, a déclaré le professeur Chris Pickard, coauteur de l’étude, physicien au département de science des matériaux et de métallurgie de l’université de Cambridge et à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux de l’université de Tohoku.

“Par exemple, les sismologues utilisent les ondes sonores initiées par les séismes dans les profondeurs de l’intérieur 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 à résister aux contraintes.”

Dans une nouvelle recherche, le professeur Pickard et ses collègues ont découvert 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.

Les chercheurs ont testé leur prédiction théorique sur une large gamme de matériaux et se sont penchés sur une prédiction spécifique de leur théorie selon laquelle 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 de 1 million d’atmosphères seulement, pression comparable à celles du cœur des géantes gazeuses comme Jupiter.

À ces pressions, l’hydrogène devient un solide métallique fascinant, conducteur d’électricité comme le cuivre, et il est prévu qu’il soit un supraconducteur à température ambiante.

Les scientifiques ont donc effectué des calculs de mécanique quantique de pointe pour vérifier cette prédiction et ont découvert que la vitesse du son dans l’hydrogène atomique solide est proche de la limite fondamentale théorique.

“Notre résultat élargit la compréhension actuelle de la façon dont les constantes fondamentales peuvent imposer de nouvelles limites aux propriétés physiques importantes”, ont-ils déclaré.

L’étude a été publiée dans le journal Science Advances.

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