Le onde sonore hanno massa? Forse, ma negativa
Abstract sound waves, illustration.
Secondo un nuovo studio, i fononi, le eccitazioni collettive simili a particelle che trasportano le onde sonore attraverso un mezzo, potrebbero avere una minuscola massa. Oltre a essere difficilmente misurabile, questa ipotetica e sorprendente massa sarebbe anche negativa e si allontanerebbe da una sorgente di campo gravitazionale come la Terra.
un errore perdonabile aver pensato che la nostra comprensione della fisica classica avesse raggiunto il suo apice nei quattro secoli da quando Isaac Newton ideò le sue leggi del moto. Ma una nuova sorprendente ricerca mostra che ci sono ancora segreti in attesa di essere scoperti, nascosti in bella vista, o almeno in questo caso, a portata d’orecchio.
In un articolo pubblicato sulle “Physical Review Letters”, un gruppo di ricercatori ha infatti teorizzato che le onde sonore possiedano massa, il che significa che i suoni sarebbero direttamente influenzati dalla gravità.
Gli autori suggeriscono che i fononi, le eccitazioni collettive simili a particelle responsabili del trasporto delle onde sonore attraverso un mezzo, potrebbero mostrare una piccola quantità di massa in un campo gravitazionale. “Ci si aspetterebbe che risultati della fisica classica come questo fossero ormai noti da tempo”, afferma Angelo Esposito, della Columbia University, autore principale dell’articolo. “È una cosa in cui siamo incappati quasi per caso”.
Esposito e i suoi colleghi si sono basati su un articolo dell’anno scorso, in cui Alberto Nicolis della Columbia e Riccardo Penco della Carnegie Mellon University suggerivano per la prima volta che i fononi in un superfluido potessero avere una massa. Lo studio pubblicato ora, tuttavia, mostra che questo effetto dovrebbe emergere anche in altri materiali, inclusi liquidi e solidi regolari, e persino nell’aria stessa.
E anche se si prevede che la quantità di massa trasportata dai fononi sia minuscola – comparabile a quella di un atomo di idrogeno, circa 10^-24 grammi – potrebbe essere misurabile. E se ci si mettesse a misurarla, si troverebbe qualcosa di profondamente controintuitivo: la massa dei fononi sarebbe
negativa, nel senso che cadrebbe “verso l’alto”. Nel tempo, la loro traiettoria si allontanerebbe gradualmente da una sorgente gravitazionale come la Terra.
“Se la loro massa gravitazionale fosse positiva, cadrebbero verso il basso”, dice Penco. “Poiché la loro massa gravitazionale è negativa, i fononi cadono verso l’alto”. E l’entità della loro “caduta” sarebbe sarebbe ugualmente piccola e variabile a seconda del mezzo che stanno attraversando i fononi. Nell’acqua, dove il suono si muove a 1,5 chilometri al secondo, la massa negativa del fonone causerebbe una deriva di circa 1 grado al secondo. Ma questo corrisponde a un cambiamento di 1 grado su 15 chilometri, che sarebbe estremamente difficile da misurare.
Per quanto difficile, una misurazione del genere dovrebbe comunque possibile. Esposito nota che per distinguerne la massa, si potrebbero cercare i fononi in un mezzo in cui la velocità del suono è molto lenta. Per esempio, nell’elio superfluido, dove la velocità del suono può scendere a centinaia di metri al secondo o ancora meno, e il passaggio di un singolo fonone potrebbe spostare l’equivalente di un atomo di materiale.
In alternativa, invece di cercare minuscoli effetti amplificati da sostanze esotiche, i ricercatori potrebbero cercare segni più evidenti di fononi portatori di massa studiando da vicino onde sonore estremamente intense.
Una possibilità è offerta dai terremoti, afferma Esposito. Secondo i suoi calcoli, un sisma di magnitudo 9 rilascerebbe così tanta energia che il cambiamento risultante nell’accelerazione gravitazionale dell’onda sonora del terremoto potrebbe essere misurabile usando orologi atomici. (Anche se le tecniche attuali non sono abbastanza sensibili per rilevare il campo gravitazionale di un’onda sismica, futuri progressi tecnologici potrebbero renderlo possibile).
improbabile che le onde sonore dotate di massa abbiano un impatto importante sulla vita di tutti i giorni, ma la possibilità che una cosa così fondamentale sia passata inosservata per così tanto tempo è intrigante.
“Fino a questo articolo, si pensava che le onde sonore non trasportassero massa”, afferma Ira Rothstein della Carnegie Mellon University, che non era coinvolta in questa ricerca. “Quindi, in questo senso è un risultato davvero notevole. Perché ogni volta che trovi nuovi risultati nella fisica classica, che è nota fin dai tempi di Newton, si smentisce l’idea che sia stata completamente compresa. Se si guarda con sufficiente attenzione, si possono trovare nuove idee anche in campi che sono stati studiati per secoli”.
Per quanto riguarda il motivo per cui questa non è mai emersa prima, Esposito è incerto. “Forse perché siamo fisici delle alte energie, la gravità è più il nostro linguaggio”, dice. “Non si tratta del solito blabla da fisici teorici. In linea di principio la gente avrebbe potuto scoprirlo anni fa”.
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su Scientific American l’11 marzo 2019. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze)
di Jonathan O’Callaghan/Scientific American
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