Pour la première fois, des scientifiques ont démontré expérimentalement que les impulsions sonores peuvent voyager à des vitesses plus rapides que la vitesse de la lumière, c. L’équipe de William Robertson de la Middle Tennessee State University a également montré que la vitesse de groupe des ondes sonores peut devenir infinie, voire négative.

Des expériences passées l’ont démontré que les vitesses de groupe des composants d’autres matériaux – tels que les impulsions optiques, micro-ondes et électriques – peuvent dépasser la vitesse de la lumière. Mais alors que les composantes spectrales individuelles de ces impulsions ont des vitesses très proches de c, les composantes des ondes sonores sont presque six ordres de grandeur plus lentes que la lumière (comparez 340 m / s à 300 000 000 m / s).

«Tout l’intérêt de la vitesse d’onde rapide (et lente) pour tous les types d’ondes (optiques, électriques et acoustiques) était initialement d’acquérir une compréhension fondamentale des caractéristiques de la propagation des ondes», a déclaré Robertson à PhysOrg.com. peut modifier la relation de phase entre les composants de ces matériaux. Utiliser le son pour créer une vitesse de groupe qui dépasse la vitesse de la lumière est ici significatif car il illustre de façon spectaculaire ce point, en raison de la grande différence entre les vitesses du son et de la lumière. »

L’expérience a été menée par deux étudiants de premier cycle, un enseignant du secondaire de la région et deux lycéens, qui ont reçu une subvention NSF STEP (Science, technologie, ingénierie, math Talent Enhancement Program). La subvention vise à augmenter le recrutement et la rétention des étudiants dans ces matières.

Dans leur expérience, les chercheurs ont atteint une vitesse du son superluminale en rephasant les composants spectraux des impulsions sonores, qui se recombinent plus tard pour former un son d’aspect identique partie de l’impulsion beaucoup plus loin dans l’impulsion. Ce ne sont donc pas les ondes sonores réelles qui dépassent c, mais la «vitesse de groupe» des ondes, ou la «longueur de l’échantillon divisée par le temps nécessaire au pic d’une impulsion pour traverser l’échantillon».

« Le résultat sonore plus rapide que la lumière ne sera pas une surprise pour les gens qui travaillent en étroite collaboration dans ce domaine car ils reconnaissent que la vitesse du groupe (la vitesse à laquelle le pic d’une impulsion se déplace) est non seulement lié à la vitesse de toutes les fréquences qui se superposent pour créer cette impulsion », a expliqué Robertson,« mais plutôt à la manière dont un matériau ou un filtre modifie la relation de phase entre ces composants. Par une manipulation de phase appropriée (rephasage), la vitesse du groupe peut être augmentée ou diminuée. »

Pour rephaser les composants spectraux, les ondes sonores ont été envoyées à travers un filtre à boucle asymétrique sur un guide d’ondes de tuyau en PVC, d’environ 8 m de long. La boucle de 0,65 mètre divise les ondes sonores en deux longueurs de chemin inégales, ce qui entraîne des interférences destructrices et des résonances d’ondes stationnaires qui, ensemble, créent des creux de transmission à des fréquences régulières.

En raison d’une dispersion anormale (qui change la vitesse de l’onde), les impulsions sonores traversant le filtre de boucle sont arrivées à la sortie plus tôt que les impulsions passant directement à travers le PVC. Avec cette expérience, la vitesse du groupe pourrait en fait atteindre une durée infiniment petite, bien que les composantes spectrales individuelles se déplacent toujours à la vitesse du son.

« Nous avons également atteint ce que l’on appelle une ‘vitesse de groupe négative’, une situation dans laquelle le pic de l’impulsion de sortie sort du filtre avant que le pic de l’impulsion d’entrée n’atteigne le début du filtre, « A expliqué Robertson. » En utilisant la définition de la vitesse comme étant égale à la distance divisée par le temps, nous avons mesuré un temps négatif et avons donc réalisé une vitesse négative. « 

Il peut ne pas sembler qu’une vitesse négative dépasserait le vitesse de la lumière, mais dans ce cas, a déclaré Robertson, la vitesse de l’impulsion est en fait beaucoup plus rapide que c.

« Considérez la vitesse d’impulsion dans un cas un peu moins dramatique », a déclaré Robertson. « Disons que le pic de l’impulsion de sortie sort du filtre exactement au même moment que l’impulsion d’entrée atteint le début. Dans ce cas moins dramatique, le temps de transit est nul et la vitesse (distance divisée par zéro) est infinie. Nous étions donc au-delà de l’infini! (« Vers l’infini et au-delà », pour voler une réplique à Toy Story.) Dans notre expérience, nous avons mesuré un temps de transit négatif correspondant à une vitesse de groupe négative de -52 m / s. »

Bien que de tels résultats puissent au premier abord sembler violer la relativité restreinte (loi d’Einstein selon laquelle aucun objet matériel peut dépasser la vitesse de la lumière), la signification réelle de ces expériences est un peu différente. Ces types de phénomènes superluminaux, Robertson et al. expliquent, ne violent ni la causalité ni la relativité restreinte, ni ne permettent à l’information de voyager plus vite que c. En fait, des travaux théoriques avaient prédit que la vitesse superluminale de la vitesse de groupe des ondes sonores devrait exister.

« La clé pour comprendre ce paradoxe apparent est qu’aucune énergie d’onde ne dépasse la vitesse de la lumière », a déclaré Robertson « Parce que nous faisions passer l’impulsion à travers un filtre, l’impulsion accélérée était beaucoup plus petite (de plus d’un facteur 10) que l’impulsion d’entrée. Essentiellement, l’impulsion qui a traversé le filtre était une réplique exacte (mais plus petite) de l’impulsion d’entrée. Cette réplique est sculptée à partir du front d’attaque de l’impulsion d’entrée. À tout moment, l’énergie nette de l’onde traversant la région du filtre était égale ou inférieure à l’énergie qui serait arrivée si l’impulsion d’entrée avait voyagé dans un tuyau droit au lieu de traverser le filtre. « 

Ce phénomène est-il simplement le résultat d’une mise en place intelligente, ou peut-il réellement se produire dans le monde réel? Selon les scientifiques, l’interférence qui se produit dans le filtre de boucle est directement analogue à l’effet de «filtrage en peigne» en acoustique architecturale, où une interférence sonore se produit entre le son directement d’une source et celui réfléchi par une surface dure.

« L’effet acoustique supra-luminal que nous avons décrit est probablement un phénomène omniprésent mais imperceptible dans le monde de tous les jours », concluent les scientifiques.