Průstřel mikroproudu vody rentgenovým laserovým paprskem. Kredit: Claudiu Stan/Rutgers University Newark.

Zvuk může být hlasitý, hodně hlasitý, a také může být tak hlasitý, jako když máte hlavu uvnitř velikého reproduktoru. Jaký zvuk je ale skutečně nejhlasitější? Odpověď je vlastně docela jednoduchá. Kvůli fyzikálním zákonitostem existuje spodní hranice síly zvuku, tedy nula decibelů, a také její horní hranice. Horní limit hlasitosti je daný tím, že zvuk o určité síle způsobuje, že se médium, v němž se pohybuje, začíná kvůli energii zvuku rozpadat. Tato hranice je přibližně 194 decibelů pro zvuk ve vzduchu a cca 270 decibelů pro zvuk ve vodě.

SLAC Linac Coherent Light Source. Kredit: SLAC.

Gabriel Blaj z amerických laboratoří SLAC National Accelerator Laboratory a ze Stanford University se svými kolegy vyzval k souboji horní hranici hlasitosti zvuku ve vodě. Aby tuto hranici pokořili, tak využili mocný rentgenový laser, který mají ve SLAC Linac Coherent Light Source (LCLS). Tímto laserem pálili do mikroproudů vody o průměru 14 až 30 mikrometrů.

Když intenzivní paprsek rentgenového laseru pronikne do velmi tenkého proudu vody, tak vodu kolem sebe okamžitě vypaří. Tím se v zasaženém proudu vody vytvoří rázová vlna. Tato rázová vlna se následně šíří proudem vody a vytváří v něm své kopie, které se řetězí ve sledu zón vysokého tlaku, následovaných zónami nízkého tlaku. Vědcům to připomnělo přízračný vláček, tak tomuto jevu říkají „shockwave train“. V dotyčném proudu vody vlastně vznikne extrémně hlasitý zvuk.

Strašci to zvládnou taky. Kredit: Roy L. Caldwell, Department of Integrative Biology, University of California, Berkeley.

Blajův tým při experimentech pozoroval, že když intenzita takto vytvořeného zvuku přesáhne určitou hranici, tak se voda jako prostředí začne rozpadat. Přeměňuje se na malé bublinky plné páry, které se okamžitě hroutí v procesu kavitace. Podobné věci vídáme u vysokorychlostních pohonů ve vodě anebo třeba když se pořádně rozparádí podivuhodní korýši strašci, známí svými extrémně prudkými pohyby. Z průběhu experimentů Blaje a spol. je patrné, že se zvuk, který vytvářeli rentgenovým laserem v mikroproudech vody, svou hlasitostí blížil maximální možné hranici ve vodě, a také tuto hranici překračoval.

Musela to být zábava. Badatelé nicméně tvrdí, že jejich výzkum by mohl mít i praktické využití. Když detailně prozkoumáme „vláčky rázových vln“, které se šíří v mikroproudech vody, tak by to mohlo vést například k vylepšení stávající analytických a diagnostických metod, které často pracují se vzorky v podobném prostředí. To by znamenalo velkou pomoc třeba ve vývoji nových léků či materiálů.

Video:  Inside the world's most powerful X-ray laser


Literatura
SLAC National Accelerator Laboratory 16. 5. 2019, Physical Review Fluids 4: 043401.