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Physikalischer Rekord: Forscher bestimmen schnellste Schallgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit hat sich als feste Grenzgröße etabliert, die nie überschritten werden kann. Aber gibt es eigentlich ein ähnliches Limit auch für Schall- statt Lichtwellen? Ja, meinen Forscher und berechnen das Tempolimit der Töne.
Mysteriöse Geräusche aus der Tiefsee (Symbolbild)Laden...

Wie schnell sich Schall fortbewegt, hängt vor allem auch von der Umgebung ab, in der er sich fortbewegt: Druck und Dichte sowie die Temperatur verändern sehr stark, wie »Töne« – also fortschreitende Wellen, die Energie in einem elastischen Medium verschieben – sich ausbreiten. Einen heranfahrenden Zug hört man daher viel eher im Metall der Gleise als über die Luft. Seit den ersten Schallgeschwindigkeitsmessungen, angeblich vom berühmten Isaac Newton, suchten Physiker nach dem bestmöglichen Schallleiter – und damit auch nach der schnellsten Schallgeschwindigkeit.

Eine Gruppe von Forschern der Queen Mary University in London, der University of Cambridge und vom Institut für Hochdruckphysik im russischen Troitsk haben nun den neuesten Wert des schnellsten Schalls berechnet: 36 Kilometer pro Sekunde, schreiben sie im Journal »Science Advances«. Das ist fast zweimal schneller als die Schallausbreitung in besonders harten Diamanten, die sich als Trägermedium schneller Schallwellen besonders anbieten.

In ihrer theoretischen Arbeit machen die Forscher deutlich, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen vor allem von zwei Faktoren begrenzt ist: von der Feinstrukturkonstante und dem Verhältnis von Elektronen zu Protonen in den Elementen des Mediums. Die Wissenschaftler berechneten auf der Grundlage ihrer Hypothese eine Vorhersage der Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Unter anderem sollte die Geschwindigkeit nach den Vorüberlegungen mit den Atommassen im Medium sinken. Mit diesen Überlegungen setzten sich die Physiker daran, verschiedene Werte denkbarer Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Medien vorherzusagen – auch den im leichtesten Element, Wasserstoff. Darin sollte der Schall spürbar schneller als in allen anderen Feststoffen sein.

Fester, insbesondere unter extremem Druck von mehreren hundert Gigapascal entstehender metallischer Wasserstoff hat faszinierende und exotische Materialeigenschaften; er ist bislang aber trotz enormen Interesses vieler Forschergruppen auf der Erde noch vor allem theoretischer Natur. Wie das britisch-russische Team jetzt berechnet, sollte in der Theorie auch die Schallgeschwindigkeit in metallischem Wasserstoff an die Grenze gehen: Sie erreicht hier das theoretisch mögliche Maximum der Wellenausbreitung – unter anderem, weil in diesem Material Elektronen minimal die Atominteraktionen dämpfen und dabei die Wellenausbreitung im elastischen Medium verlangsamen.

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