Convertir el sonido en luz
por Jimmy Mikecz
¿Y si el sonido no solo fluyera a través de la materia, sino que pudiera producir fenómenos inesperados, como la luz? La investigación sobre el sonido ha revelado la capacidad de este para influir en la materia de un modo que produce luz. El fenómeno de la sonoluminiscencia (SL) es un ejemplo de esta relación.
«Si quieres encontrar los secretos del universo, piensa en términos de energía, frecuencia y vibración.»
— Nikola Tesla
La sonoluminiscencia ocurre cuando un sonido de alta frecuencia hace vibrar diminutas burbujas de gas hasta alcanzar temperaturas similares a las de una estrella, y emiten destellos de luz. El mecanismo de la sonoluminiscencia no se comprende del todo, pero su existencia está bien documentada. A medida que los investigadores de la SL profundizan en el fenómeno, han descubierto que las ecuaciones actuales de dinámica de fluidos no pueden explicar por qué ocurre. La SL es también un fenómeno natural, y los biólogos marinos observan que algunas especies de camarones la usan como ataque contra otras criaturas. Es el puente entre el sonido y la luz, y puede ofrecer una comprensión más profunda de las leyes de la naturaleza.
Sonoluminiscencia
En un estudio de la UCLA titulado Sonoluminescence: How Bubbles Turn Sound into Light, los científicos S. J. Putterman y K. R. Weninger exploran la matemática y la fenomenología de la sonoluminiscencia. Se sabe que este fenómeno es causado por la rápida expansión y contracción de una burbuja. Se sabe esto porque la luz ultravioleta de banda ancha emitida aparece a una frecuencia determinada, aunque no de forma continua. Piense en un estroboscopio como analogía, donde los destellos de luz duran solo picosegundos (billonésimas de segundo). Según el profesor Putterman, el fenómeno de la sonoluminiscencia puede calentar las burbujas hasta decenas de miles de grados. La superficie de estas burbujas arde a unos 20.000 K (~35.000 °F) y parecen «pequeñas estrellas».
«La sonoluminiscencia, la transducción del sonido en luz, es un fenómeno que empuja la mecánica de fluidos más allá de su límite.»
— Dres. S. J. Putterman y K. R. Weninger, Departamento de Física de la UCLA
La sonoluminiscencia puede producirse repetidamente en un entorno de laboratorio controlado. Algunos de los requisitos clave son agua desgasificada, una burbuja con una mezcla de gases nobles, y una fuente de sonido de alta frecuencia. Normalmente el sonido se produce mediante un elemento piezoeléctrico. La escala del experimento suele ser pequeña: solo se necesita, aproximadamente, una taza de agua, y el tamaño de la burbuja suele ser de solo micras.
A continuación se muestra la sonoluminiscencia en acción. Debería ser obvio por qué el fenómeno ha recibido el apodo de «estrella en un frasco». La pequeña burbuja en cavitación adopta la apariencia de una pequeña estrella.
Dinámica de fluidos
Las ecuaciones convencionales de dinámica de fluidos no explican del todo la sonoluminiscencia. En concreto, algunos investigadores han aplicado las ecuaciones de Rayleigh al colapso de la burbuja, pero esto «viola su dominio de aplicabilidad», según Putterman y Weninger. Esta violación ocurre porque la ecuación de Rayleigh solo es válida para movimiento a bajo número de Mach, mientras que el colapso de la burbuja ocurre a un número de Mach alto. Putterman y Weninger también sugieren que los investigadores aplican incorrectamente la ecuación de Saha y las ecuaciones de Bremsstrahlung a este fenómeno. Sin entrar demasiado en los detalles de estas ecuaciones, la ecuación de Saha suele describir el estado de ionización de un gas en relación con su temperatura y presión. De manera similar, las ecuaciones de Bremsstrahlung suelen describir la radiación electromagnética producida por la desaceleración de una partícula cargada. Por el momento, estas ecuaciones no explican adecuadamente la sonoluminiscencia, por diversas razones.
¿Un núcleo de plasma?
Muchos investigadores creen que, durante la sonoluminiscencia, las burbujas tienen un núcleo interior de plasma. En un estudio publicado en la revista revisada por pares Nature, titulado «Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation», los investigadores afirman que «las especies emisoras deben originarse en colisiones con electrones, iones o partículas de alta energía procedentes de un núcleo de plasma caliente». Otras investigaciones respaldan la hipótesis de que las burbujas de SL tienen un núcleo de plasma caliente.
Según otra publicación reciente, titulada «Evidence for a Plasma Core during Multibubble Sonoluminescence in Sulfuric Acid»: «... la observación de iones moleculares y atómicos es la primera demostración experimental de un núcleo de plasma ionizado en el interior durante la cavitación de una sola burbuja». Así, la investigación actual sugiere que el núcleo de las burbujas de SL puede ser plasma, el cuarto estado fundamental de la materia. Quizá esta sea la razón por la que las ecuaciones de dinámica de fluidos no encajan con el fenómeno.
Otras cualidades conocidas de las burbujas sonoluminiscentes
Los investigadores descubrieron que, durante la sonoluminiscencia, una burbuja se expande rápidamente y luego se contrae en cavitación. Profundizando en esto, los investigadores han descubierto que la burbuja sí opera dentro de algunas leyes químicas convencionales. Una de ellas es el hecho de que, al colapsar, la burbuja rebota debido a las fuerzas de Van der Waals.
El gráfico adjunto representa el colapso de una burbuja en cavitación a lo largo del tiempo. Obsérvese que la burbuja tiene un radio máximo de unas 5,3 micras. Después, la burbuja colapsa rápidamente en unos 20 nanosegundos. A medida que la burbuja «toca fondo» (se acerca al radio de Van der Waals, rw), rebota y oscila a lo largo de varios ciclos de expansión y contracción.
Gases nobles
La sonoluminiscencia parece emitir la mayor cantidad de luz con gases nobles o mezclas de gases nobles. Esto se debe probablemente a la no reactividad inherente del grupo químico de los gases nobles. Los investigadores usan helio, neón, argón y xenón para crear SL. Los investigadores de la «estrella en un frasco» usan oxígeno y nitrógeno mezclados con un gas noble para crear sonoluminiscencia en un laboratorio. Según Putterman y Weninger, la SL solo con oxígeno y nitrógeno es difícil de lograr. Una mezcla de nitrógeno y oxígeno produce una «luz tenue». El artículo también afirma que los gases nobles se concentran en la burbuja a medida que ocurre la cavitación. Esto sucede porque la fuerza del colapso de la burbuja hace que los elementos reactivos (H₂O, N₂, O₂) se disocien. Después, el agua circundante atrae hacia sí esos gases.
«Camaroluminiscencia»
Un ejemplo increíble de sonoluminiscencia es la acción «aturdidora» tanto del camarón pistola como del camarón mantis. Estos camarones depredadores dejan inconscientes a sus presas «cargando» sus pinzas con tensión y liberándola de golpe. El camarón cierra sus pinzas a una velocidad tan extrema que el agua circundante se vaporiza. Igual que en la forma de laboratorio de la SL, esta cavitación extrema produce la misma luz y temperaturas superficiales extremas. Sin embargo, esta luz no es visible a simple vista, como sí lo es en el experimento de laboratorio. Los investigadores Detlef Lohse, Barbara Schmitz y Michel Versluis han bautizado este fenómeno como «shrimpoluminescence» (camaroluminiscencia). Un artículo publicado en Nature sobre el tema, titulado «Snapping Shrimp Make Flashing Bubbles», afirma llanamente que la SL ocurre en el momento del chasquido.
Un puente entre el sonido y la luz
No resulta obvio por qué una burbuja creada por sonido de alta frecuencia, contenida en poco más que un vaso de agua, podría alcanzar temperaturas cercanas a las de la superficie del Sol. No es de extrañar que los investigadores buscaran primero en la dinámica de fluidos una explicación para la sonoluminiscencia, pero la encontraron insuficiente. ¿Podría la física del plasma ser el camino por el que llegue una explicación? ¿Explicaría el modelo del Universo Eléctrico lo que está sucediendo? A medida que se desarrolla más investigación, una comprensión más profunda de la naturaleza de este puente entre el sonido y la luz podría conducir tanto a un mayor entendimiento científico como a aplicaciones prácticas.
Jimmy Mikecz, oriundo de Wisconsin, investiga, escribe y realiza investigación independiente sobre diversos temas, entre ellos historia, ingeniería, desarrollo web, religión comparada, psicología, agricultura, filosofía y muchos otros. Tiene un grado en Ciencias Ambientales por la Universidad de Wisconsin-Madison.
[Traducido y adaptado por metahistoria.org a partir del artículo «Turning Sound Into Light», de Jimmy Mikecz (fuente: thunderbolts.info)]