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Physik: Haben Schallwellen eine negative Masse?

Zwei Forscherteams haben sich ganz genau angesehen, was mit Schall in Flüssigkeiten und Festkörpern geschieht. Das Ergebnis ist in zweierlei Hinsicht überraschend.
SchallwelleLaden...

In Lehrbüchern der Physik ist die Sache klar: Schallwellen tragen Energie und haben auch das, was Forscher einen Impuls nennen. Aber sie haben keine Masse. Zumindest nicht in dem Sinn, wie etwa ein Stein sie hat. Dieser erzeugt ein eigenes Gravitationsfeld, das eine Anziehungskraft auf andere Körper ausübt.

Von Schall sollte solch eine Kraft eigentlich nicht ausgehen, so schreiben es zumindest die Gesetze der newtonschen Gravitationstheorie in ihrer angewandten Form vor. Demnach handelt es sich bei Schallwellen bloß um periodische Dichteschwankungen, die sich durch ein Medium wie Luft oder Wasser bewegen und dabei ganz mit ihm zu verschmelzen scheinen.

Möglicherweise macht man es sich damit aber zu einfach, argumentiert nun ein Team aus Theoretikern im Fachmagazin »Physical Review Letters«. Sie haben genauer als bisher ausgerechnet, wie Schallwellen auf winzige Störungen reagieren. Demnach lässt sich dem Schall in Festkörpern oder Flüssigkeiten sehr wohl eine Masse zuordnen – und diese ist den Forschern zufolge auch noch negativ. Eine solche Schallwelle müsste sich im Gravitationsfeld der Erde leicht nach oben bewegen.

Die Vermutung der Autoren fußt auf einer genauen Analyse der Bewegungsgleichungen der Dichteschwankungen. Oft werde angenommen, dass Schall ein »lineares« Phänomen sei, schreiben die Wissenschaftler. Die Bewegung von Teilchen durch eine Schallwelle wäre demnach stets proportional zur ausgeübten Kraft. In den allermeisten Fällen sei das auch eine zulässige Vereinfachung, betont das Team um Angelo Esposito von der Columbia University.

Wenn man sich die relevanten Gleichungen ganz genau ansehe, spielten jedoch auch »nichtlineare« Terme eine Rolle. Und diese geben Schallwellen in Flüssigkeiten und Festkörpern eine Masse, die stark von der Energie der Dichteschwankung abhängt. Eine 1-Watt-Schallwelle in Wasser würde demnach in einer Sekunde 0,1 Milligramm transportieren.

Ob die Vorhersage der Forscher stimmt, müssen nun Präzisionsexperimente zeigen. Die Physiker hoffen hier vor allem auf ultrakalte Quantengase. In ihnen sollten Schallwellen ebenfalls eine negative Masse tragen, wie Wissenschaftler bereits vor einem Jahr berechnet haben. Und hier könnte es rein rechnerisch möglich sein, die Masse einer Schallwelle im Labor zu messen.

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