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Física & Química

Surge evidência que fônons podem transportar massa

Ondas sonoras se propagando
Ondas sonoras se propagando (Crédito: CC0 Public Domain)

Equipe de físicos da Universidade de Colúmbia apresentou um artigo teórico que transforma uma ideia certa em sua. No artigo, ainda não publicado em periódico científico, eles defendem que ondas sonoras podem transportar massa.

Os físicos acabam de fornecer evidência matemática de que o som pode carregar pequenas quantidades de massa. E isso significa que essas ondas podem produzir seus próprios campos gravitacionais. Portanto, se confirmada, essa evidência poderia ser uma quebra de paradigma rumo a uma nova compreensão da física das ondas sonoras.

Um trio de físicos da Universidade de Columbia está dando o que falar com uma nova hipótese a respeito dos fônons.  Eles sugerem que os fónos podem ter massa negativa e, por causa disso, ter gravidade negativa. Angelo Esposito, Rafael Krichevsky e Alberto Nicolis escreveram um artigo para apoiar a ideia, com muita matemática envolvida, e fizeram o upload para o servidor de pré-publicação arXiv.

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A natureza do som

As teorias retrata as ondas sonoras como mais um evento coletivo do que como uma coisa física em si. Eles são vistos como o movimento de moléculas batendo umas contra as outras como bolas em uma mesa de sinuca. Nelas, a energia de uma bola batendo na próxima, e assim por diante, de modo que qualquer movimento em uma direção é compensado pelo movimento na direção oposta. Em tal modelo, o som não tem massa e, portanto, não pode ser afetado pela gravidade. Ou seja, ondas sonoras não transportam matéria pois são ondas.

Mas pode haver mais nessa história. Em seu artigo, os pesquisadores sugerem que a teoria atual não explica totalmente tudo o que foi observado. Em 2015, os físicos Nicolis, Riccardo Penco e Bart Horn encontraram evidências matemáticas de que o pensamento convencional estaria errado. Eles usaram a teoria quântica de campo para demonstrar isso.

Ondas sonoras em cores diversas

(Crédito: Pixabay / Public domain)

Nos últimos anos, os físicos criaram uma palavra para descrever o comportamento das ondas sonoras em uma escala muito pequena: o fônon. Ele descreve como as vibrações sonoras causam interações complicadas com as moléculas, o que permite que o som se propague. O fônon tem sido útil porque permite aplicar ao som princípios que foram aplicados a partículas reais. Mas ninguém havia sugerido que eles realmente são partículas, o que significa que eles não deveriam ter massa. Contudo, nesse novo estudo os pesquisadores sugerem que o fônon poderia ter “massa efetiva negativa” e, por causa disso, poderia também ter “gravidade efetiva negativa”.

Saiba mais em “Publicadas novas evidências que ondas sonoras podem transportar massa”

Confusão com “massa negativa”

Os físicos usam o termo “efetivo” para indicar algo que não é fundamental, mas emergente. E a definição exata do termo é comumente uma questão de convenção matemática. Portanto, a retirada inadvertida do termo pode levar a interpretações errôneas. Isso, porque a massa efetiva negativa é meramente uma quantidade matemática útil para descrever o comportamento do fônon. Assim, não existem massa ou gravidade negativa, mas massa efetiva negativa ou gravidade efetiva negativa.

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Para entender como isso é possível, os pesquisadores usam um recipiente cheio de fluido como exemplo. Em um copo de água, as moléculas estão mais densas no fundo do que as que estão no topo. Isso se deve à gravidade que as está puxando para baixo.

Mas também é amplamente conhecido que o som se move mais rápido quando está propagando através de material mais denso. Então, o que acontece com o fônon quando ele encontra essa diferença? Os pesquisadores sugerem que ele iria desviar para cima, exibindo qualidades de gravidade efetiva negativa. Eles sugerem ainda que a mesma coisa poderia estar acontecendo com o som no ar ao nosso redor, fazendo com que ondas sonoras ligeiramente transportassem massa. Massa efetiva negativa, como explicado, um termo técnico.

O trio de físicos reconhecem que tal transporte seria pequeno demais para medir com um equipamento atual. Mas os físicos observam que melhorias na tecnologia poderão um dia provar que a hipótese está correta.

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Atualização: O artigo aqui referido, à época de publicação dessa matéria, havia sido publicado em servidor de pré-impressão arXiv, como afirmado. Contudo, o trio de pesquisadores publicou o artigo na Physical Review Letters, em março de 2019.

Referência:

  1. Esposito, A. et al. Gravitational Mass Carried by Sound Waves, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.084501 (arXiv:1807.08771v2).
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