Het resultaat – ongeveer 36 km per seconde – is ongeveer twee keer zo snel als de geluidssnelheid in diamant, het hardste bekende materiaal ter wereld.
Golven, zoals geluids- of lichtgolven, zijn verstoringen die energie verplaatsen van de ene plaats naar de andere. Geluidsgolven kunnen door verschillende media reizen, zoals lucht of water, en bewegen met verschillende snelheden, afhankelijk van waar ze doorheen reizen. Ze verplaatsen zich bijvoorbeeld veel sneller door vaste stoffen dan door vloeistoffen of gassen, en daarom kun je een aankomende trein veel sneller horen als je luistert naar het geluid dat zich voortplant in de spoorbaan in plaats van door de lucht.
Einsteins speciale relativiteitstheorie stelt de absolute snelheidslimiet vast waarop een golf zich kan voortbewegen, namelijk de lichtsnelheid, en die is gelijk aan ongeveer 300.000 km per seconde. Tot nu toe was echter niet bekend of geluidsgolven ook een bovengrens hebben bij het reizen door vaste stoffen of vloeistoffen.
De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, toont aan dat het voorspellen van de bovengrens van de geluidssnelheid afhankelijk is van twee dimensieloze fundamentele constanten: de fijnstructuurconstante en de verhouding proton-elektronmassa.
Het is al bekend dat deze twee getallen een belangrijke rol spelen bij het begrijpen van ons heelal. Hun fijnafgestemde waarden regelen kernreacties zoals protonverval en kernsynthese in sterren en het evenwicht tussen de twee getallen zorgt voor een smalle ‘bewoonbare zone’ waar sterren en planeten kunnen ontstaan en levensondersteunende moleculaire structuren kunnen ontstaan. De nieuwe bevindingen suggereren echter dat deze twee fundamentele constanten ook andere wetenschapsgebieden kunnen beïnvloeden, zoals de materiaalkunde en de fysica van gecondenseerde materie, door grenzen te stellen aan specifieke materiaaleigenschappen zoals de geluidssnelheid.
De wetenschappers testten hun theoretische voorspelling op een breed scala van materialen en gingen in op één specifieke voorspelling van hun theorie, namelijk dat de geluidssnelheid zou moeten afnemen met de massa van het atoom. Deze voorspelling impliceert dat het geluid het snelst is in vaste atomaire waterstof. Waterstof is echter pas een atomaire vaste stof bij zeer hoge druk boven 1 miljoen atmosfeer, druk vergelijkbaar met die in de kern van gasreuzen zoals Jupiter. Bij die druk wordt waterstof een fascinerende metallische vaste stof die elektriciteit geleidt net als koper en waarvan voorspeld wordt dat het een supergeleider bij kamertemperatuur is. Daarom voerden onderzoekers ultramoderne kwantummechanische berekeningen uit om deze voorspelling te testen en stelden vast dat de geluidssnelheid in vaste atomaire waterstof dicht bij de theoretische fundamentele limiet ligt.
Professor Chris Pickard, hoogleraar materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Cambridge, zei: “Geluidsgolven in vaste stoffen zijn op veel wetenschappelijke gebieden al enorm belangrijk. Seismologen bijvoorbeeld gebruiken geluidsgolven die door aardbevingen diep in het inwendige van de aarde worden veroorzaakt om inzicht te krijgen in de aard van seismische gebeurtenissen en de eigenschappen van de samenstelling van de aarde. Ze zijn ook van belang voor materiaalkundigen omdat geluidsgolven verband houden met belangrijke elastische eigenschappen, waaronder het vermogen om spanning te weerstaan.