Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat kokeellisesti osoittaneet, että äänipulssit voivat liikkua nopeammin kuin valon nopeus, c. William Robertsonin tiimi Lähi-Tennessee State Universitystä osoitti myös, että ääniaaltojen ryhmänopeus voi olla ääretön ja jopa negatiivinen.

Aikaisemmat kokeet ovat osoittaneet että muiden materiaalien komponenttien – kuten optisten, mikroaaltouuni- ja sähköpulssien – ryhmänopeudet voivat ylittää valon nopeuden. Mutta vaikka näiden pulssien yksittäisten spektrikomponenttien nopeudet ovat hyvin lähellä c: tä, ääniaaltojen komponentit ovat melkein kuusi suuruusluokkaa hitaampia kuin valo (vertaa 340 m / s 300 000 000 m / s).

”Kiinnostus kaiken tyyppisten (optisten, sähköisten ja akustisten) aaltojen nopeaan (ja hitaaseen) aallon nopeuteen oli alun perin perustavanlaatuinen käsitys aaltojen etenemisen ominaisuuksista”, Robertson kertoi PhysOrg.com-sivustolle. voi muuttaa näiden materiaalien komponenttien välistä vaiheiden suhdetta. Äänen käyttäminen ryhmän nopeuden luomiseksi, joka ylittää valon nopeuden, on tässä merkityksellistä, koska se kuvaa dramaattisesti tätä kohtaa äänen ja valon nopeuksien suuren eron vuoksi. ”

Kokeilun suoritti kaksi ala-ikäiset, alueen lukion opettaja ja kaksi lukiolaista, jotka saivat rahoitusta NSF STEP (tiede, tekniikka, tekniikka, matematiikan kyvykkyyden parantamisohjelma) -apurahasta. Apurahan tarkoituksena on lisätä opiskelijoiden rekrytointia ja pysymistä näissä aiheissa.

Kokeessaan tutkijat saavuttivat superluminaalisen äänen nopeuden toistamalla äänipulssien spektrikomponentit, jotka yhdistyvät myöhemmin muodostamaan identtisen näköiset osa pulssista paljon pidemmälle pulssin sisällä. Joten todelliset ääniaallot eivät ylitä arvoa c, vaan aaltojen ”ryhmän nopeus” tai ”näytteen pituus jaettuna sykkeen huippun kuluttaman ajan näytteen kulkemiseen”.

”Ääni valoa nopeammin ei tule olemaan yllätys ihmisille, jotka työskentelevät läheisesti tällä alueella, koska he tunnustavat, että ryhmän nopeus (pulssin huipun liikuttama nopeus) on Se ei ole pelkästään kytketty kaikkien niiden pulssien nopeuksiin, jotka asettavat tämän pulssin, ”selitti Robertson,” vaan pikemminkin tapaan, jolla materiaali tai suodatin muuttaa näiden komponenttien välistä vaihesuhdetta. Asianmukaisella vaihekäsittelyllä (uudelleensuunnittelulla) ryhmän nopeutta voidaan lisätä tai vähentää. ”

Spektrikomponenttien uudelleensuuntaamiseksi ääniaallot lähetettiin läpi epäsymmetrinen silmukkasuodatin PVC-putken aaltojohtoon, noin 8 m pitkä. 0,65 metrin silmukka jakoi ääniaallot kahteen epätasaiseen polun pituuteen, mikä johti tuhoaviin häiriöihin ja seisovien aaltojen resonansseihin, jotka yhdessä loivat lähetyslaskut säännöllisin taajuuksin.

Epänormaalin hajautumisen (joka muuttaa aallon nopeutta) vuoksi silmukkasuodattimen läpi kulkevat äänipulssit saapuivat uloskäynnille aikaisemmin kuin suoraan PVC: n läpi kulkevat pulssit. Tämän kokeen avulla ryhmän nopeus voi todella saavuttaa äärettömän pienen ajan, vaikka yksittäiset spektrikomponentit liikkuvat edelleen äänen nopeudella.

”Saavutimme myös ns.” negatiivisen ryhmänopeuden ”, tilanteen, jossa lähtöimpulssin huippu poistuu suodattimesta ennen kuin tulopulssin huippu on saavuttanut suodattimen alun, ”Selitti Robertson.” Nopeuden määritelmän ollessa yhtä suuri kuin etäisyys jaettuna ajalla, mitasimme negatiivisen ajan ja näin tajusimme negatiivisen nopeuden. ”

Ei näytä siltä, että negatiivinen nopeus ylittäisi nopeuden valon nopeus, mutta tässä tapauksessa, Robertson sanoi, pulssin nopeus on itse asiassa paljon nopeampi kuin c.

”Harkitse pulssinopeutta hieman vähemmän dramaattisessa tapauksessa”, Robertson sanoi. ”Sano, että lähtöimpulssin huippu poistuu suodattimesta täsmälleen samaan aikaan, kun tulopulssi saavuttaa alun. Tässä vähemmän dramaattisessa tapauksessa kuljetusaika on nolla ja nopeus (etäisyys jaettuna nollalla) on ääretön. Joten olimme äärettömän yli! (”Loputtomuuteen ja kauemmas”, varastaa linja Toy Storysta.) Kokeessamme mitattiin negatiivinen kuljetusaika, joka vastasi ryhmän negatiivista nopeutta -52 m / s. ”

Vaikka tällaiset tulokset saattavat aluksi näyttää rikkovan erityistä suhteellisuusteoriaa (Einsteinin laki, jonka mukaan mitään aineellista esinettä ei ole voi ylittää valon nopeuden), näiden kokeiden todellinen merkitys on hieman erilainen. Tämäntyyppiset superluminaaliset ilmiöt, Robertson et ai. selittää, rikkoa syy-yhteyttä tai erityistä suhteellisuusteoriaa, eivätkä ne anna tiedon liikkua nopeammin kuin c. Itse asiassa teoreettinen työ oli ennustanut, että ääniaaltojen ryhmänopeuden huippunopeuden pitäisi olla olemassa.

”Avain tämän näennäisen paradoksin ymmärtämiseen on, että mikään aaltoenergia ei ylitä valon nopeutta”, Robertson kertoi. ”Koska ohitimme pulssin suodattimen läpi, nopeutunut pulssi oli paljon pienempi (yli 10 kertaa) kuin tulopulssi. Pohjimmiltaan suodattimen läpi tullut pulssi oli tarkka (mutta pienempi) kopio tulopulssista. Tämä kopio on veistetty tulopulssin etureunasta. Suodatusalueen ylittävän aallon nettoenergia oli aina yhtä suuri tai pienempi kuin se energia, joka olisi tullut, jos tulopulssi olisi kulkenut suorassa putkessa suodattimen läpi. ”

Onko tämä ilmiö yksinkertaisesti älykkään asennuksen tulos, vai voiko se tosiaan esiintyä todellisessa maailmassa? Tutkijoiden mukaan silmukkasuodattimessa esiintyvät häiriöt ovat suoraan analogisia arkkitehtonisen akustiikan ”kampasuodatuksen” vaikutusten kanssa, joissa äänihäiriöitä esiintyy suoraan lähteestä tulevan äänen ja kovan pinnan heijastaman välillä.

”Kuvaamamme superluminaalinen akustinen vaikutus on todennäköisesti arjen maailmassa läsnä oleva, mutta huomaamaton ilmiö”, tutkijat päättelevät.