For første gang har forskere eksperimentelt demonstreret, at lydimpulser kan bevæge sig med hastigheder hurtigere end lysets hastighed, c. William Robertsons hold fra Middle Tennessee State University viste også, at lydhastighedernes gruppehastighed kan blive uendelig og endda negativ.

Tidligere eksperimenter har vist at gruppehastighederne for andre materialers komponenter – såsom optiske, mikrobølgeovne og elektriske impulser – kan overstige lysets hastighed. Men mens de individuelle spektrale komponenter i disse impulser har hastigheder meget tæt på c, er lydbølgekomponenterne næsten seks størrelsesordener langsommere end lys (sammenlign 340 m / s til 300.000.000 m / s).

”Al interessen for hurtig (og langsom) bølgehastighed for alle typer bølger (optisk, elektrisk og akustisk) var oprindeligt at få en grundlæggende forståelse af egenskaberne ved bølgeudbredelse,” fortalte Robertson til PhysOrg.com. ”Fasemanipulation kan ændre faseforholdet mellem disse materialers komponenter. Brug af lyd til at skabe en gruppehastighed, der overstiger lysets hastighed, er vigtig her, fordi det dramatisk illustrerer dette punkt på grund af den store forskel mellem lydens og lysets hastigheder. ”

Eksperimentet blev udført af to undergrads, en gymnasielærer i området og to gymnasieelever, der modtog støtte fra et NSF STEP-stipendium (Science, technology, engineering, math Talent Enhancement Program). Bevillingen har til formål at øge rekruttering og fastholdelse af studerende til disse fag.

I deres eksperiment opnåede forskerne superluminal lydhastighed ved at omformulere spektralkomponenterne i lydimpulser, som senere rekombineres for at danne et identisk udseende en del af pulsen meget længere inde i pulsen. Så det er ikke de faktiske lydbølger, der overstiger c, men bølgenes “gruppehastighed” eller “prøveens længde divideret med den tid, det tager for en impuls at krydse prøven.”

“Lyden hurtigere end lys-resultatet vil ikke være en overraskelse for de mennesker, der arbejder tæt i dette område, fordi de genkender, at gruppehastigheden (den hastighed, som toppen af en puls bevæger sig) er ikke kun forbundet med hastigheden af alle de frekvenser, der har til formål at skabe denne puls, ”forklarede Robertson,” men snarere til den måde, hvorpå et materiale eller et filter ændrer faseforholdet mellem disse komponenter. Ved passende fasemanipulation (omformulering) kan gruppehastigheden øges eller mindskes. ”

For at omformulere de spektrale komponenter blev lydbølgerne sendt igennem et asymmetrisk loopfilter på en bølgeleder af PVC-rør, der er ca. 8 m langt. Den 0,65 meter lange løkke opdeler lydbølgerne i to ulige stellængder, hvilket resulterer i destruktiv interferens og stående bølgeresonanser, der tilsammen skabte transmissionstab ved regelmæssige frekvenser.

På grund af uregelmæssig spredning (som ændrer bølgehastigheden) ankom lydimpulser, der bevæger sig gennem sløjfefilteret, hurtigere ved udgangen end impulser, der kører lige gennem PVC. Med dette eksperiment kunne gruppehastigheden faktisk nå uendelig lille tid, selvom de enkelte spektrale komponenter stadig bevæger sig med lydens hastighed.

“Vi opnåede også det, der kaldes en ‘negativ gruppehastighed’, en situation, hvor toppen af udgangspulsen forlader filteret, før toppen af indgangspulsen har nået begyndelsen af filteret, ”Forklarede Robertson.” Ved at bruge definitionen for hastighed som lig med afstand divideret med tid, målte vi en negativ tid og realiserede således en negativ hastighed. ”

Det ser måske ikke ud til at en negativ hastighed ville overstige lysets hastighed, men i dette tilfælde, sagde Robertson, er pulsens hastighed faktisk meget hurtigere end c.

“Overvej pulshastigheden i et lidt mindre dramatisk tilfælde,” sagde Robertson. “Sig, at udgangspulsens top når ud af filteret nøjagtigt på samme tid, som inputpulsen når starten. I dette mindre dramatiske tilfælde er transittiden nul, og hastigheden (afstand divideret med nul) er uendelig. Så vi var ud over det uendelige! (‘Til uendelig og videre,’ for at stjæle en linje fra Toy Story.) I vores eksperiment målte vi en negativ transittid svarende til en negativ gruppehastighed på -52 m / s. ”

Selvom sådanne resultater i første omgang kan synes at være i strid med særlig relativitet (Einsteins lov om, at intet materielt objekt kan overstige lysets hastighed), er den faktiske betydning af disse eksperimenter lidt anderledes. Disse typer af superluminale fænomener, Robertson et al. forklare, krænker hverken kausalitet eller særlig relativitet, og de gør heller ikke, at information kan rejse hurtigere end c. Faktisk havde teoretisk arbejde forudsagt, at den superluminale hastighed for lydhastighedens gruppehastighed skulle eksistere.

“Nøglen til at forstå dette tilsyneladende paradoks er, at ingen bølgeenergi oversteg lysets hastighed,” sagde Robertson . “Fordi vi ledte pulsen gennem et filter, var den fremskyndede puls meget mindre (med mere end en faktor 10) end inputpulsen. I det væsentlige var pulsen, der kom igennem filteret, en nøjagtig (men mindre) replika af inputpulsen. Denne replika er hugget fra den forreste kant af inputpulsen. Til enhver tid var bølgenes nettoenergi, der krydser filterområdet, lig med eller mindre end den energi, der ville være ankommet, hvis indgangspulsen havde bevæget sig i et lige rør i stedet for gennem filteret. ”

Er dette fænomen simpelthen resultatet af en smart opsætning, eller kan det faktisk forekomme i den virkelige verden? Ifølge forskerne er interferensen i loopfilteret direkte analog med “kamfiltreringseffekten” i arkitektonisk akustik, hvor lydinterferens opstår mellem lyd direkte fra en kilde og den, der reflekteres af en hård overflade.

“Den superluminale akustiske effekt, vi har beskrevet, er sandsynligvis et allestedsnærværende, men umærkeligt fænomen i hverdagens verden,” konkluderer forskerne.