Das Ergebnis – etwa 36 km pro Sekunde – ist etwa doppelt so schnell wie die Schallgeschwindigkeit in Diamant, dem härtesten bekannten Material der Welt.
Wellen, wie Schall- oder Lichtwellen, sind Störungen, die Energie von einem Ort zum anderen bewegen. Schallwellen können sich durch verschiedene Medien wie Luft oder Wasser ausbreiten und bewegen sich je nach dem, was sie durchqueren, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Sie bewegen sich zum Beispiel durch Festkörper viel schneller als durch Flüssigkeiten oder Gase, weshalb man einen herannahenden Zug viel schneller hören kann, wenn man auf den Schall hört, der sich im Gleis statt in der Luft ausbreitet.
Einsteins spezielle Relativitätstheorie legt die absolute Höchstgeschwindigkeit fest, mit der sich eine Welle fortbewegen kann, nämlich die Lichtgeschwindigkeit, die etwa 300.000 km pro Sekunde beträgt. Bisher war jedoch nicht bekannt, ob Schallwellen auch eine obere Geschwindigkeitsgrenze haben, wenn sie sich durch Festkörper oder Flüssigkeiten bewegen.
Die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichte Studie zeigt, dass die Vorhersage der oberen Grenze der Schallgeschwindigkeit von zwei dimensionslosen Grundkonstanten abhängt: der Feinstrukturkonstante und dem Verhältnis der Protonen- zu den Elektronenmassen.
Diese beiden Zahlen spielen bereits eine wichtige Rolle für das Verständnis unseres Universums. Ihre fein abgestimmten Werte bestimmen Kernreaktionen wie den Protonenzerfall und die Kernsynthese in Sternen, und das Gleichgewicht zwischen den beiden Zahlen sorgt für eine schmale „bewohnbare Zone“, in der sich Sterne und Planeten bilden und lebenserhaltende Molekularstrukturen entstehen können. Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass diese beiden fundamentalen Konstanten auch andere Wissenschaftsbereiche wie die Materialwissenschaft und die Physik der kondensierten Materie beeinflussen können, indem sie Grenzen für bestimmte Materialeigenschaften wie die Schallgeschwindigkeit setzen.
Die Wissenschaftler testeten ihre theoretische Vorhersage an einer Vielzahl von Materialien und befassten sich mit einer spezifischen Vorhersage ihrer Theorie, dass die Schallgeschwindigkeit mit der Masse des Atoms abnehmen sollte. Diese Vorhersage impliziert, dass der Schall in festem atomarem Wasserstoff am schnellsten ist. Wasserstoff ist jedoch nur bei einem sehr hohen Druck von über 1 Million Atmosphären ein atomarer Festkörper, einem Druck, der mit dem im Kern von Gasriesen wie dem Jupiter vergleichbar ist. Bei diesen Drücken wird Wasserstoff zu einem faszinierenden metallischen Festkörper, der Elektrizität genau wie Kupfer leitet und bei Raumtemperatur ein Supraleiter sein soll. Daher führten die Forscher modernste quantenmechanische Berechnungen durch, um diese Vorhersage zu überprüfen, und fanden heraus, dass die Schallgeschwindigkeit in festem atomarem Wasserstoff nahe an der theoretischen Fundamentalgrenze liegt.
Professor Chris Pickard, Professor für Materialwissenschaften an der Universität Cambridge, sagte: „Schallwellen in Festkörpern sind bereits in vielen wissenschaftlichen Bereichen von enormer Bedeutung. So nutzen Seismologen beispielsweise Schallwellen, die von Erdbeben tief im Erdinneren ausgelöst werden, um die Art seismischer Ereignisse und die Eigenschaften der Erdzusammensetzung zu verstehen. Sie sind auch für Materialwissenschaftler von Interesse, da Schallwellen mit wichtigen elastischen Eigenschaften, einschließlich der Fähigkeit, Spannungen zu widerstehen, zusammenhängen.“