(Mehau Kulyk/Science Photo Library/Getty Images) Einsteins Theorie von Spezielle Relativität gab uns die Geschwindigkeitsbegrenzung des Universums – die des Lichts im Vakuum. Aber die absolute Höchstgeschwindigkeit des Schalls, egal über welches Medium, war etwas schwieriger zu begrenzen.
Es ist unmöglich, die Schallgeschwindigkeit in jedem einzelnen existierenden Material zu messen, aber Wissenschaftler haben es jetzt geschafft, eine Obergrenze festzulegen, die auf fundamentalen Konstanten basiert, den universellen Parametern, anhand derer wir die Physik des Universums verstehen.
Diese Höchstgeschwindigkeit liegt den neuen Berechnungen zufolge bei 36 Kilometern pro Sekunde (22 Meilen pro Sekunde). Das ist ungefähr die doppelte Geschwindigkeit des Schalls, der sich durch Diamanten ausbreitet.
Sowohl Schall als auch Licht breiten sich als Wellen aus, verhalten sich jedoch etwas anders. Sichtbares Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die so genannt wird, weil Lichtwellen aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern bestehen. Diese Felder erzeugen eine sich selbst erhaltende elektromagnetische Welle, die sich im Vakuum ausbreiten kann – und deren Höchstgeschwindigkeit etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt. Die Bewegung durch ein Medium wie Wasser oder eine Atmosphäre verlangsamt es.
Schall ist eine mechanische Welle, die durch eine Schwingung in einem Medium verursacht wird. Während sich die Welle durch das Medium bewegt, kollidieren die Moleküle dieses Mediums miteinander und übertragen dabei Energie.
Je steifer das Medium also ist – je schwieriger es zu komprimieren ist – desto schneller breitet sich der Schall aus. Wasser hat zum Beispiel dichter gepackte Partikel als Luft, und das ist so teilweise warum Wale können über so große Entfernungen im Ozean kommunizieren.
In einem starren Festkörper wie einem Diamanten kann sich Schall sogar noch schneller ausbreiten. Wir nutzen diese Eigenschaft, um Studieren Sie das Innere der Erde wenn Schallwellen von Erdbeben durch sie dringen. Wir können es sogar verwenden, um das zu verstehen Innenräume von Sternen .
„Schallwellen in Festkörpern sind in vielen wissenschaftlichen Bereichen bereits enorm wichtig“, sagte der Materialwissenschaftler Chris Pickard von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich .
„Zum Beispiel nutzen Seismologen Schallwellen, die durch Erdbeben tief im Erdinneren ausgelöst werden, um die Natur seismischer Ereignisse und die Eigenschaften der Erdzusammensetzung zu verstehen.“ Sie sind auch für Materialwissenschaftler von Interesse, da Schallwellen mit wichtigen elastischen Eigenschaften verbunden sind, einschließlich der Fähigkeit, Spannungen zu widerstehen.“
Mittlerweile erkennen Sie wahrscheinlich das Problem bei der Begrenzung der Schallgeschwindigkeit. Wie berücksichtigen wir alle möglichen Materialien im Universum, um eine absolute Obergrenze für die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen?
Hier sind Fundamentalkonstanten nützlich. Um die Geschwindigkeitsbegrenzung für Schall zu berechnen, stellte ein Team von Wissenschaftlern der Queen Mary University of London, der University of Cambridge im Vereinigten Königreich und des Instituts für Hochdruckphysik in Russland fest, dass die Geschwindigkeitsbegrenzung von zwei Grundkonstanten abhängt.
Dies sind die Feinstrukturkonstante , das die Stärke elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen geladenen Elementarteilchen charakterisiert; und das Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnis , das ist die Ruhemasse des Protons dividiert durch die Ruhemasse des Elektrons.
„Die fein abgestimmten Werte der Feinstrukturkonstante und des Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnisses sowie das Gleichgewicht zwischen ihnen steuern Kernreaktionen wie den Protonenzerfall und die Kernsynthese in Sternen und führen zur Entstehung der wesentlichen biochemischen Elemente, einschließlich Kohlenstoff. „Dieses Gleichgewicht sorgt für eine schmale ‚bewohnbare Zone‘ im Weltraum, in der sich Sterne und Planeten bilden und lebenserhaltende molekulare Strukturen entstehen können“, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Wir zeigen, dass eine einfache Kombination der Feinstrukturkonstante und des Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnisses zu einer weiteren dimensionslosen Größe führt, die eine unerwartete und spezifische Auswirkung auf eine Schlüsseleigenschaft kondensierter Phasen hat – die Geschwindigkeit, mit der sich Wellen in Festkörpern ausbreiten.“ Flüssigkeiten oder die Schallgeschwindigkeit.'
Um ihre Gleichung zu bestätigen, maß das Team experimentell die Schallgeschwindigkeit in einer großen Anzahl elementarer Feststoffe und Flüssigkeiten und lieferte Ergebnisse, die mit ihren Vorhersagen übereinstimmten.
Eine konkrete Vorhersage der Theorie des Teams ist, dass die Schallgeschwindigkeit mit der Masse des Atoms abnehmen sollte. Nach dieser Vorhersage sollte sich Schall am schnellsten durch festen atomaren Wasserstoff bewegen – der nur bei extrem hohen Drücken existieren kann, die etwa eine Million Mal so hoch sind wie der atmosphärische Druck der Erde auf Meereshöhe (100 Gigapascal).
Es wäre sinnvoll, eine Probe zu erhalten, um diese Vorhersage experimentell zu verifizieren extrem schwierig Daher verließ sich das Team auf Berechnungen, die auf den Eigenschaften von festem atomarem Wasserstoff zwischen 250 und 1.000 Gigapascal basierten. Und sie stellten erneut fest, dass die Ergebnisse mit ihren Vorhersagen übereinstimmten.
Wenn die Ergebnisse der Anwendung der Gleichung des Teams konsistent bleiben, könnte sie sich als wertvolles Werkzeug erweisen, nicht nur für das Verständnis einzelner Materialien, sondern des gesamten Universums.
„Wir glauben an die Ergebnisse dieser Studie“, sagte der Physiker Kostya Trachenko von der Queen Mary University of London , „könnte weitere wissenschaftliche Anwendungen haben, indem es uns hilft, Grenzen verschiedener Eigenschaften wie Viskosität und Wärmeleitfähigkeit zu finden und zu verstehen, die für Hochtemperatur relevant sind.“ Supraleitung , Quark-Gluon-Plasma und sogar schwarzes Loch Physik.'
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte .