Fundamentele constanten leggen een nieuwe snelheidslimiet op aan geluid

Geluid heeft een snelheidslimiet. Onder normale omstandigheden kunnen zijn golven niet sneller reizen dan ongeveer 36 kilometer per seconde, stellen natuurkundigen 9 oktober voor in Science Advances.

Geluid ritst met verschillende snelheden mee in verschillende materialen – bijvoorbeeld sneller in water dan in lucht. Maar onder omstandigheden die van nature op aarde voorkomen, kan geen enkel materiaal geluidsgolven herbergen die deze ultieme limiet overtreffen, die ongeveer 100 keer de typische snelheid is van geluid dat door de lucht reist.

De redenering van het team is gebaseerd op bekende vergelijkingen van fysica en wiskundige relaties. “Gezien de eenvoud van het argument, suggereert het dat [the researchers] leggen hun vinger op iets heel dieps, ”zegt de gecondenseerde materie-fysicus Kamran Behnia van École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles in Parijs.

De vergelijking voor de snelheidslimiet berust op fundamentele constanten, speciale getallen die de kosmos beheersen. Een van die cijfers, de lichtsnelheid, bepaalt de ultieme snelheidslimiet van het universum – niets kan sneller gaan. Een andere, bekend als de fijnstructuurconstante, bepaalt de kracht waarmee elektrisch geladen deeltjes elkaar duwen en trekken. In de juiste opstelling gecombineerd met een andere constante – de verhouding tussen de massa’s van het proton en elektron – leveren deze getallen de snelheidslimiet van het geluid op.

Geluidsgolven, die bestaan ​​uit de trillingen van atomen of moleculen, reizen door een materiaal terwijl het ene deeltje het andere verdringt. De snelheid van de golf hangt af van verschillende factoren, waaronder de soorten chemische bindingen die het materiaal bij elkaar houden en hoe massief de atomen zijn.

Geen van de eerder gemeten geluidssnelheden in een verscheidenheid aan vloeistoffen en vaste stoffen overtreft de voorgestelde limiet, ontdekten gecondenseerde materie-fysicus Kostya Trachenko en collega’s. De hoogste gemeten snelheid, in diamant, was slechts ongeveer de helft van het theoretische maximum.

De limiet is alleen van toepassing op vaste stoffen en vloeistoffen bij drukken die typisch op aarde voorkomen. Bij een druk die miljoenen keren hoger is dan in de atmosfeer van de aarde, bewegen geluidsgolven sneller en kunnen ze de limiet overschrijden.

Eén materiaal waarvan wordt verwacht dat het een hoge geluidssnelheid heeft, bestaat alleen bij zulke hoge drukken: waterstof wordt hard genoeg geperst om in een vast metaal te veranderen (SN: 28/06/19). Dat metaal is nooit overtuigend gemaakt, dus berekenden de onderzoekers in plaats van een meting de verwachte snelheid. Boven ongeveer 6 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde, zou de geluidssnelheidslimiet worden overschreden, suggereren de berekeningen.

De rol van de fundamentele constanten in de maximale snelheid van geluid vloeit voort uit hoe de golven door materialen bewegen. Geluid reist dankzij de elektromagnetische interacties van de elektronen van naburige atomen, en dat is waar de fijnstructuurconstante in het spel komt. En de massaverhouding proton-elektronen is belangrijk omdat, hoewel de elektronen op elkaar inwerken, de atoomkernen daardoor bewegen.

De fijnstructuurconstante en de proton-elektron-massaverhouding zijn dimensieloze constanten, wat betekent dat er geen eenheden aan zijn verbonden (dus hun waarde hangt niet af van een bepaald systeem van eenheden). Dergelijke dimensieloze constanten fascineren natuurkundigen, omdat de waarden cruciaal zijn voor het bestaan ​​van het universum zoals we het kennen (SN: 11/2/16). Als de fijnstructuurconstante bijvoorbeeld aanzienlijk was veranderd, hadden sterren, planeten en leven zich niet kunnen vormen. Maar niemand kan uitleggen waarom deze uiterst belangrijke cijfers de waarden hebben die ze hebben.

“Als ik slapeloze nachten heb, denk ik hier wel eens aan”, zegt Trachenko, van de Queen Mary University in Londen. Dus hij en zijn collega’s breiden deze puzzel uit van het kosmische rijk naar meer alledaagse concepten zoals de snelheid van geluid. Trachenko en co-auteur Vadim Veniaminovich Brazhkin van het Instituut voor Hogedrukfysica in Troitsk, Rusland, rapporteerden ook een minimaal mogelijke viscositeit voor vloeistoffen in de 24 april Science Advances.

Die viscositeitslimiet hangt af van de constante van Planck, een getal dat de kern vormt van de kwantummechanica, de wiskunde die de natuurkunde op zeer kleine schaal beheerst. Als de constante van Planck 100 keer groter zou zijn, zegt Trachenko, “zou water als honing zijn, en dat zou waarschijnlijk het einde van het leven zijn, omdat de processen in cellen niet zo efficiënt zouden verlopen.”