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“Il suono è dotato di massa”: la scoperta sensazionale di un team italiano

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Credit: Hendrik Schmidt/dpa-Zentralbild/dpa

Suono massa – Se pensavamo che la fisica classica avesse ancora poco da dire dopo Isaac Newton, ecco che arriva dagli Stati Uniti, precisamente dalla Columbia University, una ricerca a smentire questa convinzione.

Due scienziati italiani, Alberto Nicolis e Nicola Penco, hanno scoperto che le onde sonore sarebbero in realtà dotate di massa.

Con un articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters e intitolato The gravitational mass carried by sound waves, un team della Columbia composto dallo stesso Nicolis, insieme ad Angelo Esposito e Rafael Krichevsky, ha dimostrato che anche nei materiali solidi e fluidi il suono interagisce con la gravità come se fosse dotato di una massa e, più specificatamente, di una massa negativa.

Per comprendere meglio i risultati di questa ricerca, TPI ha intervistato in esclusiva i due scienziati Alberto Nicolis e Angelo Esposito.

In cosa consiste la vostra scoperta?

È opinione diffusa che le onde sonore non causino nessun trasporto netto di massa. Esse sono oscillazioni dei componenti microscopici del mezzo materiale e comportano uno spostamento locale, ma ogni componente ritorna sempre alla posizione d’origine, come se il mezzo fosse composto da tante particelle interagenti tramite molle (la cosiddetta “approssimazione lineare”).

Malgrado queste oscillazioni locali, non c’è spostamento di materia netto da una parte all’altra. Nel nostro lavoro abbiamo mostrato come il fenomeno sopra descritto non sia completamente vero. La descrizione in termini di “molle” è solo parziale e, in particolare, quando si tiene conto delle correzioni a questa approssimazione si scopre che le onde sonore causano un trasporto netto di massa.

In altre parole, quando un’onda sonora viaggia da un punto all’altro del mezzo, una (piccola) frazione di massa del mezzo stesso viene spostata insieme all’onda. Nel nostro lavoro mostriamo quanto questo sia vero per superfluidi, fluidi e (probabilmente) solidi.

Inoltre, se le onde sonore trasportano massa nel loro moto da un punto all’altro del mezzo, da questo segue anche che esse generano un (piccolo) campo gravitazionale dovuto alla massa trasportata.

In che modo siete arrivati a tali risultati?

Le tecniche che abbiamo utilizzato vengono chiamate “teorie effettive”. Esse sono uno strumento teorico estremamente comune nel campo della fisica delle alte energie (fisica delle particelle e cosmologia in particolare), ma solo recentemente sono state applicate anche allo studio di diversi stati della materia (solidi, fluidi, superfluidi, e altri stati più esotici).

L’utilizzo di questo approccio ha avuto il vantaggio di rendere il nostro risultato più manifesto e di semplificare il trattamento delle correzioni all’approssimazione lineare. Tuttavia, va evidenziato che il nostro risultato può essere ottenuto utilizzando anche tecniche più standard, come le equazioni dell’idrodinamica. Il linguaggio matematico utilizzato nel nostro articolo è forse semplicemente più trasparente (per gli addetti ai lavori, ndr).

Cosa significa che la massa assume un valore negativo?

Significa che, in materiali ordinari, un’onda sonora trasporta con sé non un addensamento di massa, ma piuttosto una rarefazione. Una conseguenza pratica è che se sottoposta ad un campo gravitazionale come quello della Terra, un’onda sonora tende a galleggiare, ossia a deviare la propria traiettoria verso l’alto.

Questa scoperta non si allinea né con la relatività di Einstein né può essere vista come un fenomeno quantistico. Come si spiega allora?

Non è propriamente corretto dire che il nostro risultato non si allinea con la relatività di Einstein. Piuttosto è semplicemente un fenomeno di fisica classica, nel senso che le cause del fenomeno sono puramente idrodinamiche.

Il fenomeno avrà correzioni dovute alla relatività di Einstein, ma queste correzioni sono decisamente trascurabili. In altre parole, il nostro risultato avrebbe potuto essere scoperto ben prima della scoperta della relatività ristretta o della meccanica quantistica. I risultati di queste teorie non sono necessari per spiegare il trasporto di massa da parte di un’onda sonora.

Quali sono le conseguenze di tali risultati?

A parte un interesse puramente concettuale, le principali conseguenze che possiamo immaginare in questo momento sono quelle già citate. Una è che le onde sonore reagiranno ad un campo gravitazionale (in generale) come particelle di massa negativa (relativa al mezzo), ad esempio tendendo a galleggiare.

La seconda è che un’onda sonora genera un piccolo campo gravitazionale. A tal proposito siamo attualmente in contatto con il professore Sebastian Will presso la Columbia University per tentare di verificare sperimentalmente la nostra predizione sul galleggiamento. Siamo anche in contatto con la collaborazione LIGO per vedere se sia possibile verificare la predizione inerente la generazione del campo gravitazionale.

Si tratta ancora di un’ipotesi o possiamo parlare già di una rivoluzione scientifica?

La derivazione matematica del fenomeno per superfluidi e fluidi è robusta e abbiamo fiducia nel nostro risultato. Tuttavia in generale non si può parlare di rivoluzione scientifica.

È un risultato interessante, che mostra come anche la fisica classica abbia ancora qualcosa da scoprire, e potrebbero esserci conseguenze sperimentali. Tuttavia riteniamo che le “rivoluzioni scientifiche” siano in genere di tutt’altro calibro.

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