Schneller Schall tritt bei hohen Frequenzen auf und weist bei höherem Druck eine Diskontinuität auf

Wissenschaftliche Erklärung

Bei niedrigen Frequenzen breitet sich Schall in Wasser mit der bekannten hydrodynamischen Geschwindigkeit von etwa 1500 Metern pro Sekunde aus. Bei extrem hohen Frequenzen im Terahertz-Bereich erscheint jedoch ein zweiter, deutlich schnellerer Ausbreitungsmodus: der sogenannte schnelle Schall (“fast sound”) mit Geschwindigkeiten um 3300 Meter pro Sekunde.

Dieser schnelle Modus entsteht, weil bei Terahertz-Frequenzen die Schallwellen so kurze Wellenlängen haben, dass sie einzelne Moleküle und deren nächste Nachbarn direkt anregen. Die Ausbreitung erfolgt dann nicht mehr über das kollektive Fliessen der Flüssigkeit, sondern über die steiferen, kurzlebigen Wasserstoffbrückenbindungen — ähnlich wie in einem Festkörper. Die Geschwindigkeit nähert sich dadurch dem Wert, den man in Eis findet.

Besonders bemerkenswert ist, dass dieser schnelle Schallmodus bei hohem Druck eine Diskontinuität zeigt: Die Geschwindigkeit springt abrupt, was auf eine strukturelle Umwandlung im Wasserstoffbrückennetzwerk hindeutet. Diese Beobachtung stützt die Zwei-Zustände-Hypothese, nach der Wasser lokal zwischen einer niedrigdichten und einer hochdichten Konfiguration wechselt.

Alltagsrelevanz

Schneller Schall ist ein rein wissenschaftliches Phänomen, das nur mit speziellen Techniken wie der inelastischen Röntgenstreuung oder Neutronenstreuung nachgewiesen werden kann. Für den Alltag ist er nicht direkt relevant, aber er liefert tiefe Einblicke in die Natur des Wassers: Das Wasserstoffbrückennetzwerk verhält sich auf molekularer Ebene ähnlich wie ein Festkörper, obwohl Wasser makroskopisch eine Flüssigkeit ist. Diese Doppelnatur erklärt viele weitere Anomalien.