Meccanica quantistica: il suono del fluido perfetto

E’ possibile che un suono ci aiuti a comprendere al meglio alcune delle condizioni più estreme dell’universo? E se sì, in che misura e/o proporzione tutto ciò sarebbe plausibile?

1207

Osservare l’universo, per la maggior parte dei dotti, è come immergersi in un mondo in cui c’è l’azzeramento di una comunicazione verbale. I suoni sono spesso catturati dai radar e dai dispositivi d’alta ingegneria.
Tuttavia il linguaggio, come lo intendiamo noi, si azzera, si annulla totalmente, e il grado di attenzione è rivolto al suono che, come la matematica rappresenta un idioma universale. Tanto che, ironicamente è stato spesso rilevato che se davvero gli alieni esistessero, tenterebbero di comunicare con noi proprio con un codice binario. Chissà!
Oggi, osservando il cosmo, le stelle di neutroni ultra dimensionali, plasma di quark e gluoni (stato della cromodinamica quantistica – QCD), gli esperti sono riusciti a individuare un processo mai visto prima.
Stiamo parlando di un esperimento che, senza eludere le leggi della meccanica quantistica, riesce, per la prima volta, a registrare un suono fluido, senza attrito; costatandone l’euritmico glissare in ascesa, senza nessun tipo di resistenza. La perfezione di un’onda sonora, che si muove armonicamente all’interno del materiale entro il quale risuona.
“È abbastanza difficile ascoltare una stella di neutroni”, ha detto il fisico Martin Zwierlein del MIT. “Ma ora si potrebbe imitarla in laboratorio usando gli atomi, “scuotendo” quel miscuglio atomico e ascoltandolo, e sapere come suonerebbe una stella di neutroni”. (Potete ascoltare la registrazione qui).

Il suono perfetto sperimentato in laboratorio

I fluidi, quindi, comprendono una gamma di stati della materia. Nonostante, la maggior parte delle persone potrebbe considerare il termine “liquido” (fluido) come una materia incomprimibile (o incontenibile), per liquido s’intendono anche gas e i plasmi.
Quindi, liquido, gas e plasma, in genere, sperimentano un attrito interno tra gli strati del fluido, che crea densità, o spessore.
Un esempio pratico può essere fatto con il miele. Nonostante sia fluido, è altamente appiccicoso (o viscoso). L’opposto dell’acqua. Invece in altri esempi, tipo citando l’elio liquido super raffreddato, una frazione del fluido diventa un superfluido a viscosità zero. Eppure non è necessariamente un fluido perfetto.
“L’elio-3 è un gas Fermi, quindi si potrebbe pensare che sia vicino alla situazione che stiamo valutando ora. Invece, si scopre che l’elio-3 è molto appiccicoso, anche quando diventa superfluido. L’elio-3 è in effetti un sistema Fermi che interagisce debolmente, e mostra viscosità molto grandi – anche quando diventa superfluido“; ha detto Zwierlein a ScienceAlert. “La viscosità dell’elio-3 superfluido è mille volte il limite quantico!”.
La meccanica quantistica, a questo punto, individua quello che è il liquido perfetto. Ovvero un fluido con il più basso attrito. La descrizione, avviene tramite equazioni basate sulla massa della particella fermionica media di cui è composto, e una costante fondamentale della fisica chiamata “costante di Planck”.

---L'articolo continua dopo la pubblicità---

La diffusione del suono

In altre parole, i fisici sostengono che la densità di un fluido può essere misurata dal modo in cui il suono si dissipa attraverso di esso. Questa è la cosiddetta diffusione del suono.
L’esperimento condotto dai ricercatori, consiste nel propagare le onde sonore attraverso un fluido di particelle fermioniche per determinarne la viscosità.
I fermioni – così chiamati in onore di Enrico Fermi – sono una classe di particelle che comprendono i blocchi di costruzione degli atomi.
Stiamo parlando di elettroni e quark. Bensì anche di particelle che sono fatte di fermioni, come i neutroni e i protoni, che sono fatti di tre quark. I Fermioni sono vincolati dal principio di esclusione della meccanica quantistica di Pauli, che stabilisce che non esistono due particelle di questo tipo in un sistema (come un atomo) che possano occupare lo stesso stato quantico. Ciò significa che non possono occupare lo stesso spazio dell’altro.
“Raffreddate un gruppo di fermioni, come 2 milioni di atomi di litio 6, fino a un soffio sopra lo zero assoluto e schiacciateli in una gabbia di laser; e la loro sfocatura quantistica li farà sbattere in onde che hanno a malapena un attrito – il fluido perfetto”. Afferma l’autore.
L’esperimento doveva essere progettato per massimizzare il numero di collisioni tra i fermioni e i laser sintonizzati; in modo che i fermioni che corrono verso i confini rimbalzino nel gas.
Questo gas è stato mantenuto a temperature comprese tra 50 e 500 nanoKelvin (-273,15 gradi Celsius, o -459,67 gradi Celsius).

Le increspature del fluido analoghe a quelle delle onde sonore

“Dovevamo creare un fluido con una densità uniforme e, solo allora, potevamo toccare un lato, ascoltare l’altro lato e poi imparare da esso”. Sostiene Zwierlein. “In realtà era abbastanza difficile arrivare a questo punto, dove potevamo usare il suono in questo modo apparentemente naturale”.
In sostanza, variando l’intensità della luce su un’estremità del contenitore cilindrico; e poi valutando a seconda dell’intensità il tipo di vibrazione e onde sonore che inviava attraverso il gas, il team registrava il tutto (questo attraverso migliaia di immagini un po’ come la tecnologia degli ultrasuoni).
Ciò ha permesso loro di trovare delle increspature nella densità del fluido, analoghe a quelle di un’onda sonora.
“La qualità delle risonanze mi dice della viscosità del fluido, o diffusività del suono“, dice Zwierlein.
“Se un fluido ha una bassa viscosità, può costruire un’onda sonora molto forte, ed essere  essa stessa molto forte, se colpito alla giusta frequenza. Se è un fluido molto viscoso, allora non ha buone risonanze”.
La diffusione sonora del fluido è stata calcolata dai ricercatori con le basse frequenze all’interno del gas.
Tutto ciò lascia pensare che, anche negli interni delle stelle di neutroni a rotazione, ci sono fluidi perfetti. Ciò nondimeno, bisogna tener conto delle molte modalità di oscillazione, ove le onde sonore si propagano attraverso la stella.

Il modo in cui gli elettroni potrebbero fluire nei gas

“Potremmo usare fluidi come il gas litio 6, per capire la diffusività delle stelle di neutroni, che potrebbe, a sua volta, portare a una migliore comprensione dei loro interni; e dei segnali delle onde gravitazionali generati dalla fusione delle stelle di neutroni”.
“E potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la superconduttività, in cui gli elettroni possono fluire liberamente attraverso i materiali”. Continua il fisico. “Questo lavoro si collega direttamente alla resistenza nei materiali“, conclude Zwierlein.
“Avendo capito qual è la resistenza più bassa che si può avere da un gas, ci dice cosa può succedere con gli elettroni nei materiali. E come si possono creare materiali in cui gli elettroni possono fluire in modo perfetto. Questo è eccitante”.
La ricerca è stata pubblicata su Science.