Tulos – noin 36 kilometriä sekunnissa – on noin kaksi kertaa niin nopea kuin äänen nopeus timantissa, maailman kovimmassa tunnetussa materiaalissa.
Aallot, kuten ääni- tai valoaallot, ovat häiriöitä, jotka siirtävät energiaa paikasta toiseen. Ääniaallot voivat kulkea eri väliaineissa, kuten ilmassa tai vedessä, ja liikkua eri nopeuksilla riippuen siitä, minkä läpi ne kulkevat. Ne liikkuvat esimerkiksi kiinteiden aineiden läpi paljon nopeammin kuin nesteiden tai kaasujen läpi, minkä vuoksi kuulet lähestyvän junan paljon nopeammin, jos kuuntelet ääntä, joka etenee raiteissa eikä ilmassa.
Einsteinin erityisessä suhteellisuusteoriassa asetetaan absoluuttinen nopeusraja, jolla aalto voi kulkea, joka on valon nopeus ja joka on noin 300 000 km sekunnissa. Tähän asti ei kuitenkaan tiedetty, onko ääniaalloilla myös ylin nopeusraja, kun ne kulkevat kiinteiden tai nestemäisten aineiden läpi.
Tutkimus, joka on julkaistu Science Advances -lehdessä, osoittaa, että äänennopeuden ylärajan ennustaminen riippuu kahdesta dimensiottomasta perusvakiosta: hienorakennevakiosta ja protonin ja elektronin massasuhteesta.
Näillä kahdella luvulla tiedetään jo nyt olevan tärkeä merkitys maailmankaikkeutemme ymmärtämisessä. Niiden hienosäädetyt arvot säätelevät ydinreaktioita, kuten protonien hajoamista ja ydinsynteesiä tähdissä, ja näiden kahden luvun välinen tasapaino muodostaa kapean ”asumiskelpoisen vyöhykkeen”, jossa tähdet ja planeetat voivat muodostua ja jossa voi syntyä elämää ylläpitäviä molekyylirakenteita. Uudet havainnot viittaavat kuitenkin siihen, että nämä kaksi perustavanlaatuista vakiota voivat vaikuttaa myös muihin tieteenaloihin, kuten materiaalitieteeseen ja tiivistetyn aineen fysiikkaan, asettamalla rajoja tietyille materiaalien ominaisuuksille, kuten äänen nopeudelle.
Tutkijat testasivat teoreettista ennustettaan laajalla materiaalivalikoimalla ja käsittelivät teoriansa yhtä tiettyä ennustetta, jonka mukaan äänen nopeuden pitäisi pienentyä atomin massan kasvaessa. Tämä ennuste merkitsee sitä, että ääni on nopein kiinteässä atomisessa vedyssä. Vety on kuitenkin atomaarinen kiinteä aine vain hyvin korkeassa, yli miljoonan ilmakehän paineessa, joka on verrattavissa Jupiterin kaltaisten kaasujättiläisten ytimessä vallitsevaan paineeseen. Näissä paineissa vedystä tulee kiehtova metallinen kiinteä aine, joka johtaa sähköä aivan kuten kupari, ja sen ennustetaan olevan huoneenlämpöinen suprajohde. Siksi tutkijat suorittivat huippuluokan kvanttimekaanisia laskutoimituksia testatakseen tämän ennusteen ja havaitsivat, että äänen nopeus kiinteässä atomisessa vedyssä on lähellä teoreettista perusrajaa.
Professori Chris Pickard, Cambridgen yliopiston materiaalitieteen professori, sanoi: ”Ääniaallot kiinteissä aineissa ovat jo nyt erittäin tärkeitä monilla tieteenaloilla. Esimerkiksi seismologit käyttävät syvällä maan sisuksissa tapahtuvien maanjäristysten aiheuttamia ääniaaltoja ymmärtääkseen seismisten tapahtumien luonnetta ja maan koostumuksen ominaisuuksia. Ne kiinnostavat myös materiaalitutkijoita, koska ääniaallot liittyvät tärkeisiin elastisiin ominaisuuksiin, kuten kykyyn kestää jännitystä.”