Sesin bir “hız sınırı” olduğu zaten biliniyordu. Şimdi fizikçiler, bu konuda net bir rakam vererek ses dalgalarının “normal şartlar altında” saniyede yaklaşık 36 kilometreden daha hızlı hareket edemeyeceğini öne sürüyor.
Bununla birlikte sesin, farklı malzemelerde farklı hızlarda ilerlediği de biliniyor. Örneğin suda havadan daha hızlı hareket ediyor. Ancak gezegenimizdeki hiçbir doğal koşul, belirtilen nihai sınırı aşabilecek ses dalgalarına elverişli ortam yaratamıyor.
Bu hesaplamayı yapan takımın mantığı, iyi bilinen fizik denklemler ile matematiksel ilişkilere dayanıyor. Hız sınırı denklemi, kozmosu yöneten temel sabit ve özel sayılardan kaynaklanıyor. Bu tip bir değer, mesela ışık hızı, evrenin nihai hız sınırını belirliyor ve hiçbir şey bundan daha hızlı gidemiyor. İnce yapı sabiti olarak bilinen bir diğeri ise elektrik yüklü parçacıkların birbirini itip çektiği kuvveti belirliyor. Başka bir sabitle (proton ve elektron kütlelerinin oranı) birleştirildiğinde ise bu sayılar sesin hız sınırını veriyor.
Atom veya moleküllerin titreşimlerinden oluşan ses dalgaları, bir parçacık diğerini sarsarken bir malzemenin içinden geçiyor. Dalganın hızı ise malzemeyi bir arada tutan kimyasal bağların türleri ve atomlarının ne kadar büyük olduğu gibi çeşitli faktörlere bağlı.
Queen Mary University of London’dan yoğun madde fizikçisi Kostya Trachenko ve meslektaşları, çeşitli sıvı ve katılarda önceden ölçülen ses hızlarının hiçbirinin, önerilen sınırı aşamadığını buldu. Elmasta ölçülen en yüksek hız bile, teorik maksimumun yalnızca yaklaşık yarısı kadardı.
Söz konusu sınır, yalnızca Dünya’daki basınçlardaki katı ve sıvılar için geçerli. Dünya atmosferinin milyonlarca katı bir basınç altında, ses dalgaları daha hızlı hareket edip bu sınırı aşabilir. Bir başka deyişle, yüksek ses hızına sahip olması beklenen bir malzeme, ancak bu kadar yüksek basınçlarda bulunabilir: mesela katı metale dönüşecek kadar sert sıkıştırılmış hidrojen. Bu metal hiçbir zaman tam olarak yaratılamadı, bu nedenle araştırmacılar bir ölçüm yapmak yerine beklenen hızı hesapladı. Bu hesaplamalar, Dünya’daki atmosfer basıncının yaklaşık 6 milyon katının üzerinde, ses hızı sınırının aşılacağını gösteriyor.
Temel sabitlerin, sesin maksimum hızındaki rolü, dalgaların malzemeler arasında nasıl hareket ettiğinden kaynaklanıyor. Ses, ince yapı sabitinin devreye girdiği komşu atom elektronlarının elektromanyetik etkileşimleri sayesinde hareket ediyor. Ve proton-elektron kütle oranı önemli çünkü elektronlar etkileşime girse de sonuçta atomların çekirdekleri hareket ediyor.
Bununla beraber ince yapı sabiti ve proton-elektron kütle oranı boyutsuz sabitler olarak biliniyor, yani bunlara bağlı birim yok. Bu nedenle de değerleri belirli bir birim sistemine bağlı değil. Bu tür boyutsuz sabitler fizikçileri büyülüyor. Çünkü değerler, bildiğimiz haliyle evrenin varlığı için çok önemli. Örneğin, ince yapı sabiti önemli ölçüde değiştirilmiş olsaydı yıldızlar, gezegenler ve yaşam oluşamayacaktı. Ancak bunların, sahip oldukları bu değerlere niçin sahip olduğunu da kimse açıklayamıyor.
Trachenko, “Uykusuz gecelerimde bazen bunu düşünüyorum,” diyor. O ve meslektaşları bu bulmacayı, kozmik alemden ses hızı gibi daha spesifik kavramlara doğru genişletiyor. Trachenko ve Rusya’nın Troitsk kentindeki Yüksek Basınç Fiziği Enstitüsü’nden Vadim Veniaminovich Brazhkin, 24 Nisan tarihli Science Advances’te sıvılar için minimum olası viskoziteye dair bir bulgu yayımladı.
Bu viskozite sınırı, kuantum mekaniğinin kalbindeki bir sayı olan Planck sabitine, yani çok küçük ölçeklerdeki fiziği yöneten matematiğe bağlı. Trachenko, “Eğer Planck sabiti 100 kat daha büyük olsaydı su bal gibi olurdu ve bu muhtemelen hayatın sonu olurdu,” diyor. “Çünkü hücrelerdeki süreçler o kadar verimli işleyemezdi.”
Sıcaklığı sesle ölçen termometre
Sıcak nesneler sadece parlamakla kalmaz, aynı zamanda yumuşak bir şekilde mırıldanır. Bu uğultu, sıcak nesneyi oluşturan parçacıkların hızlı titreşimleriyle üretilir. Pittsburgh Üniversitesi’nden Tom Purdy, insan kulakları bu sesi duyacak kadar keskin olsaydı, “Radyo paraziti gibi sesler duyardık. Çünkü bir nesne ne kadar ısınırsa, sesi de o kadar artar.” diye belirtiyor.
Purdy, Maryland Üniversitesi’nden Robinjeet Singh’le birlikte, yakındaki nesnelerden yayılan ısı kaynaklı sesin yoğunluğunu algılayan bir akustik termometre yarattı. Cihazın kalbi, bir milimetrekarelik silikon nitrür levhasından oluşuyor. Bu tabaka, ses dalgalarını havadan daha iyi ileten bir silikon çipin ortasında, kesilmiş bir pencerenin içinde asılıydı.
Deneyler sırasında fizikçiler, silikon nitrür tabakasının etrafındaki çipin yüzeyine epoksi malzeme damlacıkları bıraktılar. Her epoksi damlası, bir lazerle ısıtıldığında yongadan tabakaya doğru dalgalanan ses dalgaları yayarak tabakanın titremesine neden oldu.
Epoksi bloğu ne kadar sıcaksa ses dalgaları da o kadar güçlü ve silikon nitrürün titreşimleri de bir o kadar yoğun oluyordu. Bir lazer ışınının levhadan sıçraması ve ışının yansıma açısının ölçülmesi, araştırmacıların tabakanın hareketini ve dolayısıyla epoksiler üzerinden sıcaklıkları izlemesini sağladı.
Singh ve Purdy, bulguyu 18 Eylül Physical Review Letters’da yayımladı. Purdy, bu yeni termometrenin bir gün çok düşük sıcaklıklarda çalışması gereken kuantum hesaplama cihazlarında kullanılabileceğini düşünüyor.
1. yazı kaynak: https://www.sciencenews.org/article/sound-new-speed-limit-physics-fundamental-constants-earth
2. yazı kaynak: https://www.sciencenews.org/article/new-thermometer-measures-temperature-with-sound
Batuhan Sarıcan / [email protected]
