Wynik – około 36 km na sekundę – jest około dwa razy szybszy niż prędkość dźwięku w diamencie, najtwardszym znanym materiale na świecie.
Fale, takie jak fale dźwiękowe lub świetlne, są zaburzeniami, które przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego. Fale dźwiękowe mogą podróżować przez różne ośrodki, takie jak powietrze lub woda, i poruszać się z różnymi prędkościami w zależności od tego, przez co podróżują. Na przykład przez ciała stałe poruszają się znacznie szybciej niż przez ciecze lub gazy, dlatego też można usłyszeć zbliżający się pociąg znacznie szybciej, jeśli słucha się dźwięku rozchodzącego się w torach kolejowych, a nie w powietrzu.
Teoria szczególnej względności Einsteina określa absolutną granicę prędkości, z jaką może poruszać się fala, która jest prędkością światła i wynosi około 300 000 km na sekundę. Jednak do tej pory nie było wiadomo, czy fale dźwiękowe również mają górną granicę prędkości podczas podróży przez ciała stałe lub ciecze.
Badanie, opublikowane w czasopiśmie Science Advances, pokazuje, że przewidywanie górnej granicy prędkości dźwięku zależy od dwóch bezwymiarowych stałych fundamentalnych: stałej struktury subtelnej i stosunku masy protonu do masy elektronu.
Te dwie liczby są już znane jako odgrywające ważną rolę w zrozumieniu naszego Wszechświata. Ich precyzyjnie dostrojone wartości rządzą reakcjami jądrowymi, takimi jak rozpad protonów i synteza jądrowa w gwiazdach, a równowaga pomiędzy tymi dwoma liczbami zapewnia wąską „strefę zamieszkiwalną”, w której mogą tworzyć się gwiazdy i planety oraz mogą powstawać struktury molekularne podtrzymujące życie. Jednak nowe ustalenia sugerują, że te dwie fundamentalne stałe mogą również wpływać na inne dziedziny nauki, takie jak materiałoznawstwo i fizyka materii skondensowanej, poprzez wyznaczanie granic dla konkretnych właściwości materiałów, takich jak prędkość dźwięku.
Naukowcy przetestowali swoje teoretyczne przewidywania na szerokiej gamie materiałów i zajęli się jednym konkretnym przewidywaniem ich teorii, że prędkość dźwięku powinna maleć wraz z masą atomu. To przewidywanie sugeruje, że dźwięk jest najszybszy w stałym atomie wodoru. Jednak wodór jest ciałem stałym w bardzo wysokich ciśnieniach, powyżej 1 miliona atmosfer, porównywalnych do tych, które panują w jądrach gazowych olbrzymów, takich jak Jowisz. Przy tych ciśnieniach wodór staje się fascynującym metalicznym ciałem stałym przewodzącym prąd podobnie jak miedź i przewiduje się, że może być nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej. Dlatego naukowcy wykonali najnowocześniejsze obliczenia kwantowo-mechaniczne, aby sprawdzić to przewidywanie i stwierdzili, że prędkość dźwięku w stałym wodorze atomowym jest bliska teoretycznej granicy fundamentalnej.
Profesor Chris Pickard, profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie w Cambridge, powiedział: „Fale dźwiękowe w ciałach stałych są już ogromnie ważne w wielu dziedzinach nauki. Na przykład, sejsmolodzy wykorzystują fale dźwiękowe inicjowane przez trzęsienia ziemi głęboko we wnętrzu Ziemi, aby zrozumieć naturę zdarzeń sejsmicznych i właściwości składu Ziemi. Są one również interesujące dla materiałoznawców, ponieważ fale dźwiękowe są związane z ważnymi właściwościami sprężystymi, w tym zdolnością do wytrzymywania naprężeń.”
.