Le résultat – environ 36 km par seconde – est environ deux fois plus rapide que la vitesse du son dans le diamant, le matériau connu le plus dur au monde.
Les ondes, comme les ondes sonores ou lumineuses, sont des perturbations qui déplacent l’énergie d’un endroit à un autre. Les ondes sonores peuvent se déplacer dans différents milieux, comme l’air ou l’eau, et se déplacent à des vitesses différentes en fonction de ce qu’elles traversent. Par exemple, elles se déplacent à travers les solides beaucoup plus rapidement qu’à travers les liquides ou les gaz, ce qui explique pourquoi vous êtes capable d’entendre un train qui s’approche beaucoup plus rapidement si vous écoutez le son se propager dans la voie ferrée plutôt que dans l’air.
La théorie de la relativité restreinte d’Einstein fixe la limite de vitesse absolue à laquelle une onde peut se déplacer qui est la vitesse de la lumière, et qui est égale à environ 300 000 km par seconde. Cependant, jusqu’à présent, on ne savait pas si les ondes sonores ont également une limite supérieure de vitesse lorsqu’elles traversent des solides ou des liquides.
L’étude, publiée dans la revue Science Advances, montre que la prédiction de la limite supérieure de la vitesse du son dépend de deux constantes fondamentales sans dimension : la constante de structure fine et le rapport de masse proton-électron.
Ces deux nombres sont déjà connus pour jouer un rôle important dans la compréhension de notre Univers. Leurs valeurs finement ajustées régissent les réactions nucléaires telles que la désintégration des protons et la synthèse nucléaire dans les étoiles, et l’équilibre entre les deux nombres fournit une « zone habitable » étroite où les étoiles et les planètes peuvent se former et où les structures moléculaires permettant la vie peuvent émerger. Cependant, les nouvelles découvertes suggèrent que ces deux constantes fondamentales peuvent également influencer d’autres domaines scientifiques, tels que la science des matériaux et la physique de la matière condensée, en fixant des limites à des propriétés matérielles spécifiques telles que la vitesse du son.
Les scientifiques ont testé leur prédiction théorique sur un large éventail de matériaux et se sont penchés sur une prédiction spécifique de leur théorie selon laquelle la vitesse du son devrait diminuer avec la masse de l’atome. Cette prédiction implique que le son est le plus rapide dans l’hydrogène atomique solide. Or, l’hydrogène est un solide atomique à très haute pression, au-dessus de 1 million d’atmosphères seulement, pression comparable à celles du cœur des géantes gazeuses comme Jupiter. À ces pressions, l’hydrogène devient un solide métallique fascinant qui conduit l’électricité comme le cuivre et qui est censé être un supraconducteur à température ambiante. Les chercheurs ont donc effectué des calculs de mécanique quantique de pointe pour tester cette prédiction et ont découvert que la vitesse du son dans l’hydrogène atomique solide est proche de la limite fondamentale théorique.
Le professeur Chris Pickard, professeur de science des matériaux à l’Université de Cambridge, a déclaré : « Les ondes sonores dans les solides sont déjà extrêmement importantes dans de nombreux domaines scientifiques. Par exemple, les sismologues utilisent les ondes sonores initiées par les tremblements de terre dans les profondeurs de la Terre pour comprendre la nature des événements sismiques et les propriétés de la composition de la Terre. Elles intéressent également les spécialistes des matériaux car les ondes sonores sont liées à d’importantes propriétés élastiques, notamment la capacité à résister aux contraintes. »