Resultatet – cirka 36 km per sekund – är ungefär dubbelt så snabbt som ljudhastigheten i diamant, det hårdaste kända materialet i världen.
Vågor, till exempel ljud- eller ljusvågor, är störningar som förflyttar energi från en plats till en annan. Ljudvågor kan färdas genom olika medier, till exempel luft eller vatten, och rör sig med olika hastigheter beroende på vad de färdas genom. De rör sig till exempel mycket snabbare genom fasta ämnen än genom vätskor eller gaser, vilket är anledningen till att du kan höra ett tåg som närmar sig mycket snabbare om du lyssnar på ljudet som utbreder sig i järnvägsspåret i stället för i luften.
Einsteins speciella relativitetsteori fastställer den absoluta hastighetsgränsen för hur en våg kan färdas, vilket är ljusets hastighet, och är lika med cirka 300 000 km per sekund. Hittills har man dock inte vetat om ljudvågor också har en övre hastighetsgräns när de färdas genom fasta ämnen eller vätskor.
Studien, som publiceras i tidskriften Science Advances, visar att förutsägelsen av den övre gränsen för ljudets hastighet är beroende av två dimensionslösa fundamentala konstanter: finstrukturkonstanten och massförhållandet mellan protoner och elektroner.
Dessa två tal är redan kända för att de spelar en viktig roll i förståelsen av vårt universum. Deras finjusterade värden styr kärnreaktioner som protonsönderfall och kärnsyntes i stjärnor och balansen mellan de två talen ger en smal ”beboelig zon” där stjärnor och planeter kan bildas och livsuppehållande molekylära strukturer kan uppstå. De nya resultaten tyder dock på att dessa två grundläggande konstanter också kan påverka andra vetenskapliga områden, t.ex. materialvetenskap och fysik för kondenserad materia, genom att sätta gränser för specifika materialegenskaper, t.ex. ljudets hastighet.
Forskarna testade sin teoretiska förutsägelse på ett brett spektrum av material och tog itu med en specifik förutsägelse i teorin, nämligen att ljudets hastighet skulle minska med atomens massa. Denna förutsägelse innebär att ljudet är snabbast i fast atomärt väte. Vätgas är dock ett atomärt fast ämne endast vid mycket högt tryck över 1 miljon atmosfärer, ett tryck som är jämförbart med trycket i kärnan av gasjättar som Jupiter. Vid dessa tryck blir väte en fascinerande metallisk fast substans som leder elektricitet precis som koppar och förutspås vara en supraledare vid rumstemperatur. Forskarna utförde därför toppmoderna kvantmekaniska beräkningar för att testa denna förutsägelse och fann att ljudhastigheten i fast atomärt väte ligger nära den teoretiska fundamentala gränsen.
Professor Chris Pickard, professor i materialvetenskap vid University of Cambridge, säger: ”Ljudvågor i fasta ämnen är redan enormt viktiga inom många vetenskapliga områden. Seismologer använder till exempel ljudvågor som utlöses av jordbävningar djupt inne i jorden för att förstå de seismiska händelsernas natur och egenskaperna hos jordens sammansättning. De är också av intresse för materialforskare eftersom ljudvågor är relaterade till viktiga elastiska egenskaper, inklusive förmågan att motstå påfrestningar.”