Vědci poprvé experimentálně prokázali, že zvukové impulsy mohou cestovat rychlostmi rychleji než rychlost světla, c. Tým Williama Robertsona ze Státní univerzity ve Střední Tennessee také ukázal, že skupinová rychlost zvukových vln může být nekonečná a dokonce i negativní.

Minulé experimenty prokázaly že skupinové rychlosti složek jiných materiálů – jako jsou optické, mikrovlnné a elektrické impulsy – mohou překročit rychlost světla. Ale zatímco jednotlivé spektrální složky těchto pulzů mají rychlosti velmi blízké c, složky zvukových vln jsou téměř o šest řádů pomalejší než světlo (srovnej 340 m / s až 300 000 000 m / s).

„Zájem o rychlou (a pomalou) vlnovou rychlost pro všechny typy vln (optických, elektrických a akustických) spočíval zpočátku v získání základního porozumění charakteristikám šíření vln,“ řekl Robertson pro PhysOrg.com. “Fázová manipulace může změnit fázový vztah mezi složkami těchto materiálů. Použití zvuku k vytvoření skupinové rychlosti, která překračuje rychlost světla, je zde významné, protože dramaticky ilustruje tento bod, kvůli velkému rozdílu mezi rychlostmi zvuku a světla. “

Experiment provedli dva undergrads, oblastní středoškolský učitel a dva středoškoláci, kteří získali finanční prostředky z grantu NSF STEP (Science, technology, engineering, math Talent Enhancement Program). Cílem grantu je zvýšit nábor a udržení studentů v těchto předmětech.

Ve svém experimentu vědci dosáhli superluminální rychlosti zvuku přepracováním spektrálních složek zvukových pulzů, které se později rekombinují a vytvoří shodně vypadající část pulzu mnohem dále podél pulzu. Nejedná se tedy o skutečné zvukové vlny, které překračují c, ale o „skupinovou rychlost“ vln nebo „délku vzorku dělenou časem potřebným k tomu, aby vrchol pulzu prošel vzorkem.“

„Výsledek zvuku rychlejší než světlo nebude překvapením pro lidi, kteří v této oblasti úzce spolupracují, protože si uvědomují, že skupinová rychlost (rychlost, kterou se pohybuje vrchol pulzu) je není pouze spojen s rychlostí všech frekvencí, které superponují k vytvoření tohoto pulzu, “vysvětlil Robertson,„ ale spíše se způsobem, jakým materiál nebo filtr mění fázový vztah mezi těmito složkami. Vhodnou fázovou manipulací (přeměnou) lze rychlost skupiny zvýšit nebo snížit. “

K přeformátování spektrálních složek byly zvukové vlny posílány přes asymetrický smyčkový filtr na vlnovodu z PVC trubky, dlouhý přibližně 8 m. Smyčka o délce 0,65 metru rozdělila zvukové vlny na dvě nerovné délky dráhy, což mělo za následek destruktivní rušení a rezonance stojatých vln, které společně vytvářely poklesy přenosu na pravidelných frekvencích.

Kvůli anomální disperzi (která mění rychlost vln) přicházely zvukové impulsy procházející smyčkovým filtrem k východu dříve než pulzy procházející přímo přes PVC. S tímto experimentem mohla skupinová rychlost dosáhnout nekonečně malého času, i když jednotlivé spektrální složky stále cestují rychlostí zvuku.

„Rovněž jsme dosáhli takzvané„ rychlosti záporné skupiny “, což je situace, kdy špička výstupního impulzu opouští filtr dříve, než špička vstupního impulzu dosáhne začátku filtru, “Vysvětlil Robertson.„ Použitím definice rychlosti, která se rovná vzdálenosti dělené časem, jsme změřili záporný čas a tak jsme si uvědomili zápornou rychlost. “

Nemuselo by se zdát, že záporná rychlost překročí rychlost světla, ale v tomto případě, řekl Robertson, je rychlost pulsu ve skutečnosti mnohem rychlejší než c.

„Zvažte rychlost pulzu v o něco méně dramatickém případě,“ řekl Robertson. „Řekněme, že vrchol výstupního impulzu opustí filtr přesně ve stejnou dobu, kdy vstupní puls dosáhne začátku. V tomto méně dramatickém případě je doba přechodu nulová a rychlost (vzdálenost děleno nulou) nekonečná. Takže jsme byli za nekonečnými! („Do nekonečna a dále“, ukrást linku z Příběhu hraček.) V našem experimentu jsme měřili záporný přechodový čas odpovídající záporné skupinové rychlosti -52 m / s. “

Ačkoli se takové výsledky mohou na první pohled zdát v rozporu se speciální relativitou (Einsteinův zákon, že žádný hmotný objekt může překročit rychlost světla), skutečný význam těchto experimentů je trochu odlišný. Tyto typy superluminálních jevů, Robertson et al. vysvětlit, neporušovat ani kauzalitu, ani speciální relativitu, ani neumožňují informacím cestovat rychleji než c. Teoretická práce ve skutečnosti předpovídala, že by měla existovat superluminální rychlost skupinové rychlosti zvukových vln.

„Klíčem k pochopení tohoto zdánlivého paradoxu je, že žádná vlnová energie nepřekročila rychlost světla,“ řekl Robertson „Protože jsme procházeli pulzem filtrem, zrychlený puls byl mnohem menší (o více než 10krát) než vstupní puls.“ V podstatě puls, který prošel filtrem, byl přesnou (ale menší) replikou vstupního pulzu. Tato replika je vyřezána z náběžné hrany vstupního impulzu. Čistá energie vlny procházející filtrační oblastí byla vždy stejná nebo menší než energie, která by dorazila, kdyby vstupní puls cestoval přímou trubkou místo filtrem. “

Je tento jev jednoduše výsledkem chytrého nastavení, nebo k němu může skutečně dojít ve skutečném světě? Podle vědců je interference, která se vyskytuje ve smyčkovém filtru, přímo analogická účinku „hřebenového filtrování“ v architektonické akustice, kde dochází k interferenci zvuku mezi zvukem přímo ze zdroje a odrazem od tvrdého povrchu.

„Superluminální akustický efekt, který jsme popsali, je pravděpodobně všudypřítomný, ale nepostřehnutelný jev v každodenním světě,“ uzavírají vědci.