¿Existe un límite para la brevedad de una longitud de onda de luz, sonido o vibración y qué sucedería si esto se violara?

Las frecuencias más altas de vibración mecánica ocurren en los sólidos, porque las partículas están muy juntas y tienen fuertes enlaces entre ellas. La frecuencia más alta tiene la longitud de onda más pequeña, y esto es el doble del espacio entre partículas. Una longitud de onda más corta que esta realmente parece una onda de longitud de onda más larga. Un espaciado promedio de partículas es de aproximadamente 0.25 nm, por lo que la longitud de onda más corta es de ~ 0.5 nm. Si tomamos un valor promedio de la velocidad de las ondas mecánicas en un sólido como ~ 5,000 m / s, su frecuencia, f = v / w = 5,000 / 5 × 10 ^ -10 = 10 ^ 13 Hz. Si fueran fotones, su longitud de onda, w = c / f = 3 × 10 ^ 8/10 ^ 13 =

3x 10 ^ -5 m. Estas serían ondas infrarrojas de rango medio (rango 700 nm – 1 mm).

Estos fonones de alta frecuencia se reflejarían completamente desde los lados del sólido, porque las moléculas de gas no pueden vibrar a frecuencias tan altas. Creo que serían la frecuencia más alta de una población de fonones de alta frecuencia, que constituyen el componente KE de la energía interna del sólido, es decir, son fonones térmicos.

La frecuencia de sonido más alta, detectable por un animal, es 200 kHz, 10 veces más alta que el valor estándar indicado para humanos. El animal en cuestión es un murciélago, y la longitud de onda de tal lanzamiento, en el aire, es, w = v / f = 330/200 × 10 ^ 3 = 1.65 mm. Las ondas longitudinales en el aire, con una longitud de onda más corta que esta, no pueden llamarse ondas de sonido, porque ningún animal podría detectarlas. La frecuencia máxima de ondas longitudinales en el aire es de aproximadamente 5 × 10 ^ 10 Hz o 50 GHz. Si estos fueran fotones, su w = 6 mm, colocándolos justo en la región de microondas. Tendríamos que llamar ‘ondas de sonido’ en la región 200 kHz – 50 GHz, ondas ultrasónicas absolutas. Es una región particularmente grande.

Los fotones de mayor energía se denominan rayos gamma de ultra alta energía y tienen energías superiores a 100 TeV (1TeV = 10 ^ -12eV). Pero, ¿hay algún límite superior y qué es? Esto correspondería con un límite inferior en la longitud de onda, y esto podría ser fácilmente la longitud de la tabla. Esto es aproximadamente 1.6 × 10 ^ -36m. Esta es una distancia realmente pequeña, y en este momento, los físicos realmente no saben cómo es el espacio-tiempo a escalas tan pequeñas. Podría ser una espuma cuántica, o podríamos ver partículas como bucles de cuerda, podríamos ver la naturaleza discreta del espacio-tiempo, o uno de varios otros modelos a escala de Plank. Sea lo que sea, parece razonable tomarlo como la longitud de onda significativa más pequeña de un rayo gamma. La frecuencia de dicho fotón, f = c / w = 3 × 10 ^ 8 / 1.6 × 10 ^ -35 = 1.88 × 10 ^ 43Hz. Su energía sería, E = hf = 6.63 × 10 ^ -34 × 1.88 × 10 ^ 43 =

12.5 × 10 ^ 9J.

Esta es una energía absolutamente enorme para un solo fotón. ¡Es equivalente al KE de un motor 125, que viaja a la máxima velocidad, con 3 carros tirados por él!

No hay un proceso conocido que pueda darle tanta energía a un solo protón, pero entonces, probablemente hay muchos procesos de alta energía en el universo que actualmente no conocemos. Se ha detectado un fotón con el KE típico de una pelota de fútbol en movimiento rápido, pero nada remotamente así: un rayo gamma de máxima energía.

¡Parece que, y mucho menos ser golpeado por un rayo, cualquiera de nosotros podría ser atropellado repentinamente por un tren invisible, que sale de la nada!

En cuanto a ir más allá de estos límites, la frecuencia más alta de vibración en un sólido depende de su separación de partículas y de la velocidad de las ondas mecánicas dentro de él, lo que a su vez depende de la fuerza de sus enlaces. Hay un sólido para el cual este es un máximo, por encima de la frecuencia que calculé. La velocidad del sonido en un gas, y por lo tanto su frecuencia máxima, aumenta a medida que aumenta su temperatura, aunque eventualmente se ionizará y se convertirá en plasma.

Las ondas de sonido mueven cosas, por lo que no pueden ser más pequeñas que las cosas que mueven. Por lo general, mueven átomos, y la longitud de onda más pequeña sería de aproximadamente 10 [math] ^ {- 10} [/ math] metro y (dependiendo de la velocidad del sonido en ese medio) frecuencias en los múltiples gigahercios.

Las ondas electromagnéticas no mueven cosas, son vectores de campo. Una onda electromagnética se puede considerar como partículas llamadas fotones, y las ondas más cortas corresponden a fotones de mayor energía. Las oscilaciones de los rayos gamma pueden ser menos de una milésima del tamaño de un átomo. No creo que haya límites estrictos.

¿Qué pasaría si rompemos los límites de las ondas sonoras? Bueno, son límites físicos duros, no leyes que son observadas por una fuerza policial. Romper las leyes físicas simplemente no es posible.

La longitud de onda más pequeña del sonido que puede haber es varias veces la ruta libre media de las moléculas del gas. (Las moléculas tienen que tener una alta probabilidad de rebotar en otras moléculas dentro de una longitud de onda, o la energía no se transmite).

La menor longitud de onda de vibración es de orden dos veces el espacio entre los átomos.

Hasta donde sé, no hay un límite en principio para la longitud de onda de la radiación EM, excepto tal vez la longitud de Planck, pero las longitudes de onda más pequeñas que las de los rayos X no son tan interesantes como las longitudes de onda porque los efectos cuánticos se vuelven tan importantes que toda interacción depende más de otros propiedades como frecuencia y / o energía fotónica. Los rayos gamma de muy alta energía desde el espacio tienen energías de hasta 9 órdenes de magnitud más altas (longitudes de onda de hasta 9 órdenes de magnitud más cortas) que los rayos X duros.

No para la luz, hasta donde sabemos, pero el sonido en un cristal no puede tener una longitud de onda más corta que el doble de la distancia entre los átomos. Cualquier cosa más corta es indistinguible de una longitud de onda muy larga.

Las ondas sonoras son movimientos de átomos. Una onda de sonido es movimiento que pasa de un átomo al siguiente. Por lo tanto, no habría onda de sonido más pequeña que los átomos. Ellos simplemente no existen. La luz más pequeña, u ondas electromagnéticas, son rayos gama compuestos de fotones. Puede tener una onda de luz de un solo fotón. Cualquier cosa más pequeña no sería un fotón y, por lo tanto, no sería luz.

Sí, hay límites a la brevedad de cualquier cosa cuando se llega a escalas atómicas y subatómicas donde los efectos cuánticos y el principio de incertidumbre son significativos.

Si infringe un límite, no debe haber sido realmente un límite.