Was ist Schall? Woher kommt es?

„Ding-ling-ling –“

Angefangen beim ersten, klaren Klingeln des Weckers am Morgen, über das Geräusch von Schritten, fließendem Wasser und Stimmen – alle möglichen Geräusche strömen nacheinander in unsere Ohren. Außer wenn wir schlafen, können wir sie fast ständig hören, aber was genau sind das für Geräusche? Wie kam es dazu?

Obwohl man Schall weder berühren noch sehen kann, gibt es eine Möglichkeit, ihn indirekt zu „berühren“ und zu sehen. Nehmen Sie Ihre Spielzeugtrommel heraus, legen Sie Ihre linke Hand auf eine Seite des Trommelfells und schlagen Sie mit der rechten Hand kräftig mit dem Trommelstock auf die andere Seite. Beobachten Sie gleichzeitig das Trommelfell sorgfältig. Kannst du es fühlen?

Ja, das Trommelfell vibriert und das ist Schall – Schallwellen, die durch die Vibration eines Objekts erzeugt werden. Die Trommel, die den „Dong Dong Dong“-Klang erzeugt, ist die „Klangquelle“, also die Quelle des Klangs. Doch wie gelangen die von der vibrierenden Trommel erzeugten Schallwellen zu unserem Ohr?

Obwohl es keine Telefonleitung gibt, die die Trommel mit uns verbindet, ist der „Bote“ des Klangs tatsächlich überall um uns herum – in der Luft. In der Luft gibt es viele Gasmoleküle wie Stickstoff und Sauerstoff. Die Vibration der Trommel treibt die Vibration der Gasmoleküle in der Nähe an und dann werden die Schallwellen wie bei einem Staffellauf an die Umgebung und auch an unsere Ohren übertragen.

Wir haben auch eine „Schlangentrommel“ in unseren Ohren – das Trommelfell, eine durchscheinende Membran. Wenn Schallwellen den äußeren Gehörgang passieren, treffen sie auf diesen und versetzen ihn in Schwingung. Das Trommelfell überträgt die Vibration dann auf die Gehörknöchelchen und schließlich auf die Flüssigkeit in der Cochlea, wodurch die Flüssigkeit schwankt. Diese Schwankung wird von Nervenzellen in Nervenimpulse umgewandelt und an das Hörzentrum im Gehirn weitergeleitet, wodurch wir den Ton hören können.

In der makroskopischen Welt können Luft, Wasser oder Feststoffe als Medien für die Schallausbreitung dienen. Ohne Medium kann sich Schall nicht ausbreiten. Der erste, der dies entdeckte, war der britische Physiker Robert Boyle im 17. Jahrhundert.

Damals führte er ein sehr berühmtes Experiment durch. Boyle stellte einen Wecker in eine große Glasvitrine und ließ ihn klingeln. Auch wenn die Glasabdeckung den Weg versperrt, kann jeder den Wecker deutlich hören. Dann führte Boyle einen Zaubertrick vor und brachte den Wecker zum Schweigen!

Mithilfe einer Vakuumpumpe saugte er die Luft aus der Glasabdeckung. Als die Luft immer dichter wurde, wurde auch der Wecker immer leiser, bis er fast nicht mehr zu hören war. Doch sobald die Glasabdeckung geöffnet wurde, begann der Alarm erneut zu klingeln.

Heute wissen wir, dass dies daran liegt, dass für die Schallausbreitung ein Medium erforderlich ist. In unserem täglichen Leben ist die Luft das wichtigste Medium zur Schallausbreitung.

Dieses Prinzip wird zum Bau von Schallschutzfenstern genutzt. Es besteht aus zwei Glasseiten mit einem nahezu luftleeren Raum in der Mitte, der für Schallwellen wie eine Lücke wirkt und sie daran hindert, auf die andere Seite des Fensters zu gelangen.

Obwohl in der makroskopischen Welt die Ausbreitung von Schall ein Medium erfordert, wird diese Regel in der mikroskopischen Quantenwelt verletzt. Vor nicht allzu langer Zeit entdeckten Wissenschaftler, dass ein Vakuum auch Schall über extrem kurze Distanzen übertragen kann!

Tatsächlich ist das Vakuum nicht leer. Es gibt keine physikalischen Teilchen wie Atome und Moleküle, sondern ein Quantenfeld aus „virtuellen Teilchen“, ähnlich dem von Elektronen gebildeten elektrischen Feld. Sie werden ständig erzeugt und verschwinden, genau wie kleine Wassertropfen, die von Wasserwellen aufgewirbelt werden, schwingen, aufspringen und wieder zurückfallen. Dieses Phänomen wird Quantenfluktuation genannt. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass, wenn sich zwei Filme in einem Vakuum sehr nahe beieinander befinden, die Vibration eines Films durch Quantenfluktuationen auf den anderen Film übertragen werden kann, was bedeutet, dass Schallwellen das Vakuum durchdringen!

Allerdings ist dieses Phänomen derzeit auf die wunderbare Quantenwelt beschränkt. In unserer makroskopischen Welt ist immer noch ein Medium erforderlich, um Schall zu hören.

Quellen:

Fong, KY, Li, H., Zhao, R. et al. (2019). Phononen-Wärmeübertragung über ein Vakuum durch Quantenfluktuationen. Nature 576, 243–247

Autor:Spiegel

Gutachter: Zhang Xuanzhong (populärwissenschaftlicher Autor, Mitglied der Chinesischen Physikalischen Gesellschaft)