De universele snelheidslimiet van een elektromagnetische golf of zwaartekrachtsgolf die door een vacuüm reist, weten we al sinds Albert Einstein zijn relativiteitstheorie ontwikkelde. Nu is voor het eerst de maximale snelheid berekend van geluid dat door een vaste stof of een vloeistof beweegt. De limiet is ongeveer 36 kilometer per seconde, meer dan achtduizend keer lager dan de lichtsnelheid in vacuüm.
Om deze berekening te maken, gebruikten Kostya Trachenko van de Queen Mary University en zijn collega’s twee bekende fysische constanten: de verhouding tussen de protonmassa en elektronenmassa en de fijnstructuurconstante, die verband houdt met de sterkte van interacties tussen geladen deeltjes.
Trachenko meent dat we redelijk zeker zijn van deze waarden. Als ze ook maar een klein beetje afwijken, zou het universum er immers compleet anders uitzien. ‘Als je deze constanten met een paar procent verandert, is het proton misschien niet meer stabiel. Dan zouden er ook geen processen in sterren plaatsvinden die zware elementen creëren. Dat betekent dat er geen koolstof en dus geen leven zou zijn’, zegt hij.
Heino Falcke fotografeerde als eerste een zwart gat: ‘Nog mooier dan ik al die tijd had verwacht’
Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie, maakte in 2019 de eerste foto van een zwart gat. Op dit moment doet hij onderzoek n ...
36 kilometer per seconde
Geluidsgolven planten zich voort door de onderlinge interactie tussen deeltjes die zich naast elkaar bevinden. Dit betekent dat de snelheid afhangt van de dichtheid van een materiaal en hoe de atomen erin met elkaar zijn verbonden. Atomen kunnen maar met een bepaalde snelheid bewegen. De geluidssnelheid wordt door die beweging eveneens beperkt.
Trachenko en zijn collega’s gebruikten dat feit samen met de proton-elektron-massaverhouding en de fijnstructuurconstante om de maximale snelheid te berekenen waarmee geluid theoretisch in elke vloeistof of vaste stof zou kunnen reizen. Ze kwamen uit op ongeveer 36 kilometer per seconde.
Het hoogste limiet
‘Voorheen dachten we dat diamant de hoogste geluidssnelheid heeft, omdat dit het hardste materiaal is. We wisten echter niet of er een theoretische fundamentele limiet aan zat’, zegt Trachenko. De theoretische grens is ongeveer tweemaal de geluidssnelheid in een diamant.
De geluidssnelheid hangt ook af van de massa van de atomen in het materiaal. De onderzoekers voorspelden dat vast metallisch waterstof de hoogste snelheidslimiet heeft. Dit materiaal komt volgens theorieën voor in het centrum van reuzenplaneten, maar in het laboratorium is er slechts omstreden bewijs voor gevonden. Ze berekenden dat deze snelheid dicht bij de theoretische limiet zou moeten zijn. Ook keken ze naar experimentele gegevens voor 133 materialen en ontdekten dat geen daarvan de limiet overschreed.
Nog geen goede fundamentele reden
Graeme Ackland van de Universiteit van Edinburgh is echter niet overtuigd dat de berekeningen inderdaad een snelheidslimiet opleveren. ‘Je kunt deze fundamentele constanten gebruiken om iets te krijgen met snelheidseenheden. Ik zie alleen nog geen goede goede fundamentele reden waarom het een grens is’.
Hij meent dat er meer werk nodig is om erachter te komen hoe dit onderzoek precies van toepassing is op geluid dat door zwaardere elementen beweegt.