Die Obergrenze der Schallgeschwindigkeit wurde ermittelt. Kostenlose Neuigkeiten aus der technischen Bibliothek

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Eine Obergrenze für die Schallgeschwindigkeit wurde festgelegt

22.10.2020

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat den Wert der oberen (maximalen) Grenze der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen berechnet. Dieser Wert betrug 36 Kilometer pro Sekunde, die doppelte Schallgeschwindigkeit in Diamant, dem härtesten heute bekannten Material.

Wellen, wie Schall- und elektromagnetische Wellen, sind Schwingungen, die die in ihnen enthaltene Energie von einem Ort zum anderen bewegen. Schallwellen können sich in verschiedenen Medien ausbreiten, in der Luft, im Wasser und in Festkörpern, und in jedem dieser Medien hat die Schallausbreitungsgeschwindigkeit ihren eigenen Wert. Je dichter beispielsweise das Medium ist, desto schneller bewegt sich der Schall durch es hindurch, was erklärt, warum Sie viel früher etwas über die Annäherung eines Zuges erfahren können, indem Sie Ihr Ohr an die Schiene der Eisenbahnlinie halten.

Die spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein legt eine absolute Höchstgrenze für jede Geschwindigkeitsbegrenzung fest, die der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entspricht und etwa 300 Kilometer pro Sekunde beträgt. Allerdings wusste bis vor kurzem niemand, ob es eine Obergrenze für die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen gibt.

Vorstudien der oben genannten Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Obergrenze der Schallgeschwindigkeit vom Wert zweier dimensionsloser Naturkonstanten abhängen kann: der Feinstrukturkonstante und dem Verhältnis der Masse des Protons zur Masse des Elektrons .

Diese beiden Bedeutungen spielen bekanntlich eine sehr wichtige Rolle in unserem Verständnis der Natur, Struktur und „Funktion“ des Universums. Ihre genau gemessenen Werte bestimmen den Ablauf von Kernreaktionen, wie dem Zerfall von Protonen und den Prozessen der thermonuklearen Fusion, die im Inneren von Sternen ablaufen. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Konstanten definiert ein schmales Band einer "lebenswerten Zone", in der sich molekulare Strukturen auf der Oberfläche von Planeten zu bilden beginnen können, die die ersten "Scheinen" zukünftigen Lebens sind.

Die Ergebnisse neuer Forschungen weisen jedoch darauf hin, dass die beiden fundamentalen Konstanten auch andere Phänomene und Prozesse im Zusammenhang mit der Materialwissenschaft und der Physik der kondensierten Materie beeinflussen können, wo ihre Werte bestimmte Materialeigenschaften, einschließlich der Schallgeschwindigkeit, in diesen Materialien einschränken . . .

Wissenschaftler testeten ihre Theorie zur Schallgeschwindigkeit an sehr unterschiedlichen Materialien, wodurch sich die Annahme bestätigen ließ, dass mit zunehmender Masse eines Atoms die Schallgeschwindigkeit im Medium dieser Substanz abnimmt. Dies impliziert wiederum, dass die höchste Schallgeschwindigkeit im Medium des festen atomaren Wasserstoffs liegt. Diese Form von Wasserstoff wird jedoch nur bei sehr hohen Drücken von über 1 Million Atmosphären erzeugt, was mit dem Druck im Kern von Gasriesenplaneten wie Jupiter vergleichbar ist. Bei solchen Drücken wird Wasserstoff zu einer festen metallischen Form, er hat eine elektrische Leitfähigkeit und ist einigen Theorien zufolge ein Supraleiter, dessen kritischer Punkt im Bereich der Raumtemperatur liegt.

Für Berechnungen verwendeten die Wissenschaftler das quantenmechanische Modell, das sie für die metallische Atomform von Wasserstoff erstellt hatten. Berechnungen, die mit diesem Modell durchgeführt wurden, haben Wissenschaftlern einen Wert für die Schallgeschwindigkeit geliefert, der sehr nahe an der grundlegenden theoretischen Grenze liegt.

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Wissenschaftler haben experimentell bewiesen, dass unterkühltes Wasser in Form von zwei nicht mischbaren flüssigen Phasen mit unterschiedlicher Dichte existieren kann. Die Forschungsergebnisse werden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Wasser ist eine der häufigsten Substanzen. Gleichzeitig hat es einzigartige physikalische Eigenschaften – bei Druck- und Temperaturänderungen verhält es sich anders als andere Flüssigkeiten. Anomalien der Phasenzustände von Wasser werden seit vielen Jahren von Physikern und Chemikern auf der ganzen Welt untersucht.

Jeder kennt den üblichen flüssigen Zustand von Wasser bei normaler Temperatur. Vor dreißig Jahren schlugen Wissenschaftler jedoch vor, dass Wasser bei ultraniedrigen Temperaturen mehrere flüssige Zustände annehmen könnte.

Forscher aus den USA, Kanada, Schweden und Südkorea unter der Leitung von Nicolas Giovambattista, Professor an der City University of New York und Leiter des Department of Physics am Brooklyn College, haben experimentell bewiesen, dass bei minus 63 Grad Celsius Wasser existieren kann bei niedrigem Druck als Flüssigkeit mit geringer Dichte und bei hohem Druck in Form einer Flüssigkeit mit hoher Dichte.

Diese beiden Flüssigkeiten haben deutlich unterschiedliche Eigenschaften – sie unterscheiden sich in der Dichte um 20 Prozent und vermischen sich unter geeigneten Bedingungen nicht wie Öl und Wasser.

Die kontraintuitive Hypothese war von Anfang an eine der wichtigsten Fragen in der Chemie und Physik des Wassers. Dies liegt daran, dass Experimente, bei denen zwei flüssige Zustände gleichzeitig erhalten werden können, aufgrund der scheinbar unvermeidlichen Eisbildung unter Bedingungen, bei denen theoretisch zwei Flüssigkeiten existieren sollten, sehr schwierig sind.

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