Será que ondas sonoras transportam massa?

É perdoável pensar que nossa compreensão da física clássica já tenha atingido seu máximo ao longo dos quatro séculos desde que Isaac Newton inventou suas leis de movimento. Mas novas pesquisas surpreendentes mostram que ainda há segredos esperando para serem encontrados, escondidos à vista de todos; ou, pelo menos neste caso, ao alcance da voz.

© Shustterstock (ilustração de ondas sonoras)

Um grupo de cientistas teorizou que as ondas sonoras possuem massa, o que significa que os sons seriam diretamente afetados pela gravidade. Eles sugerem que os fônons, excitações coletivas parecidas com partículas, responsáveis pelo transporte de ondas sonoras através de um meio, podem exibir uma pequena quantidade de massa em um campo gravitacional. "Seria de se esperar que resultados de física clássica como esse já fossem conhecidos há muito tempo," diz Angelo Esposito, da Universidade de Columbia, principal autor do estudo.

Esposito e seus colegas se basearam em um artigo anterior, publicado no ano passado, no qual Alberto Nicolis, da Columbia, e Riccardo Penco, da Universidade Carnegie Mellon, sugeriram pela primeira vez que os fônons poderiam ter massa em um superfluido. O estudo mais recente, no entanto, mostra que este efeito também deve ser válido em outros materiais, incluindo líquidos e sólidos regulares, e até mesmo no próprio ar.

E, embora se espere que a quantidade de massa transportada pelos fônons seja pequena, comparável a um átomo de hidrogênio, cerca de 10^-24gramas, ela pode, na verdade, ser mensurável. Exceto que, se você fosse medí-la, encontraria algo profundamente estranho: a massa dos fônons seria negativa, significando que eles cairiam "para cima". Com o tempo, sua trajetória gradualmente se afastaria de uma fonte gravitacional como a Terra. "Se tivessem massa gravitacional positiva, eles cairiam para baixo," diz Penco.

E a extensão da "queda" é igualmente pequena, com a variação dependendo do meio pelo qual o fônon está passando. Na água, onde o som se move a 1,5 quilômetros por segundo, a massa negativa do fônon faz com que se desloque a cerca de 1 grau por segundo. Mas isso corresponde a uma mudança de 1 grau ao longo de 15 quilômetros, o que seria extremamente difícil de medir.

Ainda que possa ser difícil, tal medida ainda deve ser possível. Esposito observa que, para distinguir a massa dos fônons, é possível procurá-los em um meio onde a velocidade do som seja muito lenta. Isso pode ser possível no hélio superfluido, onde a velocidade do som pode cair para centenas de metros por segundo ou menos, e a passagem de um único fônon pode mudar o equivalente a um átomo de material.

Alternativamente, em vez de buscar efeitos minúsculos ampliados em substâncias exóticas, os pesquisadores podem procurar por sinais mais óbvios de fônons portadores de massa estudando de perto ondas sonoras extremamente intensas. Os terremotos oferecem uma possibilidade, diz Esposito. De acordo com seus cálculos, um tremor de magnitude 9 liberaria energia suficiente para que a mudança resultante na aceleração gravitacional da onda sonora do terremoto pudesse ser mensurável usando relógios atômicos. (Embora as técnicas atuais não sejam suficientemente sensíveis para detectar o campo gravitacional de uma onda sísmica, futuros avanços na tecnologia podem tornar isso possível.)

É improvável que as ondas sonoras que têm massa tenham um grande impacto na vida cotidiana, mas a possibilidade que algo tão fundamental tenha passado despercebida por tanto tempo é intrigante.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Como detectar ondas gravitacionais com hélio

As ondas gravitacionais de pulsares próximos poderiam ser detectadas usando apenas alguns quilogramas de hélio ⁴He superfluido, de acordo com físicos nos EUA.

© Chandra (pulsar Vela)

A imagem acima mostra a evolução temporal do vento do pulsar Vela observado na faixa de energia espectral de 0,5 a 8 keV.

Seu detector, que ainda não foi construído, poderia medir ondas sonoras no superfluido causadas por ondas gravitacionais na faixa de 0,1 a 1,5 kHz.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que são criadas quando objetos massivos são acelerados sob certas condições. A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita em 2015, quando o observatório Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um sinal de um buraco negro binário coalescente. Mais duas ondas gravitacionais já foram detectadas pela LIGO, ambas associadas a buracos negros binários.

O LIGO é um detector de banda larga que pode captar sinais na faixa de 10 Hz a 5 kHz. É particularmente propício para detectar sinais transitórios associada aos buracos negros coalescentes.

Swati Singh do Williams College, Laura DeLorenzo e Keith Schwab do Caltech e Igor Pikovski da Universidade de Harvard querem construir um detector que possa se concentrar em uma banda de frequência relativamente estreita para detectar ondas gravitacionais de pulsares.

Um pulsar é uma estrela de nêutrons de rotação rápida que deverá transmitir continuamente ondas gravitacionais a uma frequência específica na faixa de 1 Hz a 1 kHz, com a frequência dependendo das características físicas do pulsar. Ao fazer uma medição de banda estreita durante um longo período de tempo, um sinal de ruído muito baixo de um pulsar poderia, em princípio, ser detectado.

Este detector compreende vários quilogramas de hélio superfluido mantido em um recipiente cilíndrico que é acoplado em um ressonador micro-ondas supercondutor. Confinamento no recipiente significa que o superfluido ressoará com ondas de som em determinadas frequências, assim como um instrumento musical.

Esta ressonância acústica também significa que o superfluido deve atuar como uma antena que é sintonizada para detectar ondas gravitacionais em frequências específicas. Quando tal onda gravitacional viaja através do detector, criaria um campo de tensão que produziria ondas sonoras no hélio. O ressonador de micro-ondas converteria essas ondas em um sinal mensurável.

Embora outros tenham tentado fazer estas antenas usando barras de metal, a equipe diz que o hélio superfluido oferece vários benefícios, incluindo o fato de que a frequência do detector pode ser alterada ajustando a pressão do hélio.

Calcula-se que usando a tecnologia de transdutor de micro-ondas de última geração, o detector poderia medir sinais de certos tipos de pulsares depois de alguns meses.

Fonte: New Journal of Physics

Objetos levitam entre ondas sonoras

Gotículas de água, grânulos de café, fragmentos de poliestireno e até mesmo um palito de dentes está entre os itens que andaram voando por aí em um laboratório suíço recentemente, todos eles mantidos no ar por ondas sonoras.

© D. Poulikakos (gota é levitada entre superfícies emissoras de som)

O dispositivo que realiza essa levitação acústica é o primeiro capaz de manipular vários objetos simultaneamente. Ele foi descrito esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences.
Normalmente, as técnicas de levitação utilizam o eletromagnetismo; forças magnéticas já foram usadas até para levitar sapos. Há muito tempo se sabe que ondas sonoras também anulam a gravidade, mas até agora o método não tem aplicação prática porque ele não consegue fazer mais que manter um objeto parado.
Para também mover e manipular objetos em levitação, Dimos Poulikakos, engenheiro mecânico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique, e seus colegas, construíram plataformas que fazem som usando cristais piezoelétricos, que encolhem ou esticam dependendo da voltagem aplicada a eles. Cada plataforma é do tamanho de uma unha de dedo mínimo.
As plataformas emitem ondas de som que se movem para cima até atingirem uma superfície suspensa, e de lá são refletidas de volta. Quando as ondas refletidas para baixo se sobrepõem às ondas sonoras que estão subindo, as duas ‘se cancelam’ no meio, nos chamados pontos nodais. Objetos posicionados neles permanecem parados no lugar devido à pressão de ondas sonoras vindas de ambas as direções.
Ao ajustar a posição dos nodos, os pesquisadores podem arrastar objetos entre plataformas. As plataformas podem ser organizadas de maneiras diferentes para se adaptarem a vários experimentos. Em uma demonstração envolvendo um arranjo de plataformas em forma de T, os pesquisadores juntaram duas gotículas introduzidas em locais separadas e depois depositaram a gotícula combinada em um terceiro local.
O sistema também poderia ser usado para combinar reagentes químicos sem a contaminação que pode resultar do contato com a superfície de um recipiente. Ondas sonoras já são usadas na indústria farmacêutica para obter resultados precisos durante exames de drogas. Mas o método de Poulikakos é o primeiro a oferecer a possibilidade de controlar vários items simultaneamente com precisão.
Poulikakos sugere que o sistema poderia ser usado para testar reações químicas perigosas. “Nós nos divertimos demonstrando a ideia ao colidir um torrão de sódio com água, o que é obviamente uma reação agressiva”, conta ele.
Peter Christianen, físico que trabalha com levitação eletromagnética na Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda, declara estar impressionado com a invenção. “Eu gostei muito disso; essa é uma plataforma muito versátil, você consegue manipular quase qualquer coisa nela”.

Fonte: Nature