36 kilometer per seconde. Harder kan geluid echt niet gaan.
Wat is de hoogst mogelijke snelheid van geluid? En bestaat er eigenlijk wel een maximale snelheid? Die vragen stonden centraal in een nieuwe studie gepubliceerd in het blad Science Advances. Onderzoekers komen nu met baanbrekende antwoorden. Want voor het eerst hebben onderzoekers de topsnelheid van geluid vastgesteld.
Geluid ontstaat door kleine veranderingen in de luchtdruk. Geluid kan zich in principe door ieder medium verplaatsen. Door lucht, maar ook bijvoorbeeld door water en staal. De geluidssnelheid hangt af van de vastheid, temperatuur en samenstelling van de stof. Voor lucht bij kamertemperatuur (20 °C) is de geluidssnelheid zo’n 343 meter per seconde, ofwel 1234,8 kilometer per uur. Bij droge lucht (met relatief weinig waterdamp) met een temperatuur van 0 °C is dat ongeveer 331 meter per seconde, gelijk aan 1194 kilometer per uur. Bovendien beweegt geluid sneller door vaste stoffen dan door vloeistoffen en gassen. Daarom kun je een naderende trein vaak al eerder door de rails horen aankomen dan via de lucht.
Onderzoekers hebben nu dus de hoogste mogelijke geluidssnelheid ontdekt. Iets dat tot voor kort nog niet bekend was. Wel wisten we dat licht ontzettende haast heeft. Dankzij de relativiteitstheorie van Einstein weten we namelijk dat licht met 1 miljard kilometer per uur reist. Dat is 300.000 kilometer in 1 seconde! Tot nu toe was echter niet bekend of ook geluidsgolven een maximumsnelheid kennen. Dat komt – zoals uit bovenstaand kader blijkt – doordat geluid zich door elk materiaal anders voortbeweegt. Het is echter onmogelijk de geluidssnelheid in elk bestaand materiaal te meten. Maar wetenschappers zijn er nu wel in geslaagd om de bovengrens te bepalen op basis van twee fundamentele constanten, de universele parameters waarmee we de fysica van het heelal proberen te begrijpen.
Jupiter
De studie laat zien dat het voorspellen van de bovengrens van de geluidssnelheid afhankelijk is van twee dimensieloze fundamentele constanten: de fijnstructuurconstante en de massaverhouding tussen protonen en elektronen. Hiervan is al eerder aangetoond dat ze een belangrijke rol spelen bij het begrijpen van ons universum. Om vervolgens de hoogst mogelijke snelheid van geluid te meten, voerden de onderzoekers verschillende experimenten uit met een breed scala aan materialen. Daarbij richtten ze zich op één specifieke voorspelling: dat de geluidssnelheid zou moeten afnemen met de massa van een atoom. Dit impliceert dat geluid het snelst is in vaste atomaire waterstof. Dit vind je echter alleen in omgevingen met een zeer hoge druk – boven 1 miljoen atmosfeer – zoals bijvoorbeeld in de kern van gasreus Jupiter. In dat geval wordt waterstof een metalen vaste stof, die net als koper elektriciteit geleidt.
Diamant
Onder deze ideale omstandigheden weet geluid zijn topsnelheid te bereiken: 36 kilometer per seconde, ofwel 129.600 kilometer per uur. Harder kan geluid echt niet gaan. Om dat in context te plaatsen: dat is ongeveer honderd keer sneller dan zijn snelheid door de lucht onder normale omstandigheden en ongeveer twee keer zo snel als door diamant, het hardste bekende materiaal ter wereld.
Belangrijk
Volgens de onderzoekers is het heel belangrijk om meer inzicht te krijgen in de absolute snelheid van geluid. “Geluidsgolven in vaste stoffen zijn al enorm belangrijk in veel wetenschappelijke velden,” vertelt onderzoeker Chris Pickard. “Seismologen gebruiken bijvoorbeeld geluidsgolven voortgebracht door aardbevingen diep in het binnenste van onze planeet, om zo de aard van seismologische gebeurtenissen en de eigenschappen van de samenstelling van de aarde beter te begrijpen.”
De onderzoekers geloven dat de bevindingen verdere wetenschappelijke toepassingen zouden kunnen hebben. “Het kan ons bijvoorbeeld helpen om ook de limieten van viscositeit en thermische geleidbaarheid te openbaren,” zegt onderzoeker Kostya Trachenko. “En dat kan weer relevant zijn voor ons begrip over de fysica van zwarte gaten.”
