Por primera vez, los científicos han demostrado experimentalmente que los pulsos de sonido pueden viajar a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz, c. El equipo de William Robertson de la Universidad Estatal de Middle Tennessee también demostró que la velocidad de grupo de las ondas sonoras puede volverse infinita e incluso negativa.

Experimentos anteriores han demostrado que las velocidades de grupo de los componentes de otros materiales, como pulsos ópticos, de microondas y eléctricos, pueden exceder la velocidad de la luz. Pero mientras que los componentes espectrales individuales de estos pulsos tienen velocidades muy cercanas a c, los componentes de las ondas sonoras son casi seis órdenes de magnitud más lentos que la luz (compare 340 m / sa 300.000.000 m / s).

«Todo el interés en la velocidad de onda rápida (y lenta) para todo tipo de ondas (ópticas, eléctricas y acústicas) fue inicialmente para obtener una comprensión fundamental de las características de la propagación de ondas», dijo Robertson a PhysOrg.com. «Manipulación de fase puede cambiar la relación de fase entre los componentes de estos materiales. Usar el sonido para crear una velocidad de grupo que exceda la velocidad de la luz es significativo aquí porque ilustra dramáticamente este punto, debido a la gran diferencia entre las velocidades del sonido y la luz «.

El experimento fue realizado por dos estudiantes universitarios, un maestro de la escuela secundaria del área y dos estudiantes de la escuela secundaria, que recibieron fondos de una subvención de NSF STEP (Programa de mejora del talento en ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas). La subvención tiene como objetivo aumentar el reclutamiento y la retención de estudiantes en estas materias.

En su experimento, los investigadores lograron una velocidad del sonido superluminal modificando las fases de los componentes espectrales de los pulsos de sonido, que luego se recombinan para formar una apariencia idéntica parte del pulso mucho más adelante dentro del pulso. Por tanto, no son las ondas sonoras reales las que superan c, sino la «velocidad de grupo» de las ondas o la «longitud de la muestra dividida por el tiempo que tarda el pico de un pulso en atravesar la muestra».

«El resultado del sonido más rápido que la luz no será una sorpresa para las personas que trabajan de cerca en esta área porque reconocen que la velocidad del grupo (la velocidad a la que se mueve el pico de un pulso) es no meramente conectado a la velocidad de todas las frecuencias que se superponen para crear ese pulso ”, explicó Robertson,“ sino más bien a la forma en que un material o un filtro cambia la relación de fase entre estos componentes. Mediante la manipulación de fase adecuada (cambio de fase), la velocidad del grupo se puede aumentar o disminuir. ”

Para cambiar de fase los componentes espectrales, las ondas de sonido se enviaron a través un filtro de bucle asimétrico sobre una guía de ondas de tubería de PVC, de unos 8 m de largo. El bucle de 0,65 metros dividió las ondas de sonido en dos longitudes de trayectoria desiguales, lo que resultó en interferencias destructivas y resonancias de ondas estacionarias que juntas crearon caídas de transmisión a frecuencias regulares.

Debido a la dispersión anómala (que cambia la velocidad de la onda), los pulsos de sonido que viajan a través del filtro de bucle llegaron a la salida antes que los pulsos que viajan directamente a través del PVC. Con este experimento, la velocidad del grupo podría alcanzar una cantidad de tiempo infinitamente pequeña, aunque los componentes espectrales individuales aún viajan a la velocidad del sonido.

«También logramos lo que se conoce como ‘velocidad de grupo negativa’, una situación en la que el pico del pulso de salida sale del filtro antes de que el pico del pulso de entrada haya alcanzado el comienzo del filtro, ”Explicó Robertson.“ Usando la definición de velocidad como igual a la distancia dividida por el tiempo, medimos un tiempo negativo y por lo tanto obtuvimos una velocidad negativa ”.

Puede que no parezca que una velocidad negativa excedería la velocidad de la luz, pero en este caso, dijo Robertson, la velocidad del pulso es mucho más rápida que c.

«Considere la velocidad del pulso en un caso un poco menos dramático», dijo Robertson. «Digamos que el pico del pulso de salida sale del filtro exactamente al mismo tiempo que el pulso de entrada llega al principio. En este caso menos dramático, el tiempo de tránsito es cero y la velocidad (distancia dividida por cero) es infinita. ¡Así que estábamos más allá del infinito! («Hasta el infinito y más allá», para robar una línea de Toy Story.) En nuestro experimento, medimos un tiempo de tránsito negativo correspondiente a una velocidad de grupo negativa de -52 m / s ”.

Aunque estos resultados pueden parecer a primera vista violar la relatividad especial (la ley de Einstein de que ningún objeto material puede exceder la velocidad de la luz), el significado real de estos experimentos es un poco diferente. Este tipo de fenómenos superlumínicos, Robertson et al. explican, no violan la causalidad ni la relatividad especial, ni permiten que la información viaje más rápido que c. De hecho, el trabajo teórico había predicho que debería existir la velocidad superluminal de la velocidad de grupo de las ondas sonoras.

«La clave para comprender esta aparente paradoja es que ninguna energía de onda excedió la velocidad de la luz», dijo Robertson. . «Debido a que estábamos pasando el pulso a través de un filtro, el pulso acelerado era mucho más pequeño (en más de un factor de 10) que el pulso de entrada. Esencialmente, el pulso que atravesó el filtro fue una réplica exacta (pero más pequeña) del pulso de entrada. Esta réplica está tallada en el borde delantero del pulso de entrada. En todo momento, la energía neta de la onda que cruza la región del filtro fue igual o menor que la energía que habría llegado si el pulso de entrada hubiera viajado en una tubería recta en lugar de a través del filtro «.

¿Es este fenómeno simplemente el resultado de una configuración inteligente o puede ocurrir realmente en el mundo real? Según los científicos, la interferencia que se produce en el filtro de bucle es directamente análoga al efecto de «filtrado en peine» en la acústica arquitectónica, donde se produce una interferencia de sonido entre el sonido directamente de una fuente y el reflejado por una superficie dura.

«El efecto acústico superluminal que hemos descrito es probablemente un fenómeno omnipresente pero imperceptible en el mundo cotidiano», concluyen los científicos.