A tudósok először bizonyították kísérletileg, hogy a hangimpulzusok gyorsabban haladhatnak, mint a fény sebessége, c. William Robertson csapata a Közép-Tennessee Állami Egyetemen azt is kimutatta, hogy a hanghullámok csoportos sebessége végtelenné, sőt negatívvá válhat.

Korábbi kísérletek igazolták hogy más anyagok alkotóelemeinek – például az optikai, mikrohullámú és elektromos impulzusok – csoportos sebessége meghaladhatja a fénysebességet. De míg ezen impulzusok egyes spektrális komponenseinek sebessége nagyon közel van a c-hez, a hanghullámok komponensei csaknem hat nagyságrenddel lassabbak, mint a fény (összehasonlítva 340 m / s és 300 000 000 m / s között).

“A gyors (és lassú) hullámsebesség iránti érdeklődés minden típusú (optikai, elektromos és akusztikai) hullám esetében kezdetben a hullámterjedés jellemzőinek alapvető megértése volt” – mondta Robertson a PhysOrg.com-nak. megváltoztathatja az anyagok összetevőinek fáziskapcsolatát. A hang felhasználása a fénysebességet meghaladó csoportsebesség létrehozásához itt azért lényeges, mert drámai módon szemlélteti ezt a pontot, a hang és a fény sebességének nagy különbsége miatt. ”

A kísérletet ketten végezték egyetemisták, egy területi középiskolai tanár és két középiskolás diák, akik az NSF STEP (Tudomány, technológia, mérnöki, matematikai tehetséggondozó program) támogatásból részesültek támogatásban. A támogatás célja a hallgatók toborzásának és megtartásának növelése ezekben a tantárgyakban.

Kísérletükben a kutatók szuperluminális hangsebességet értek el a hangimpulzusok spektrális komponenseinek újragondolásával, amelyek később rekombinálódtak, így azonos kinézetűek az impulzus egy része sokkal tovább az impulzuson belül. Tehát nem a tényleges hanghullámok haladják meg a c-t, hanem a hullámok “csoportsebessége” vagy “a minta hossza elosztva azzal az idővel, amelyre a pulzus csúcsa a minta áthaladásához szükséges”.

“A fénynél gyorsabb eredmény nem lesz meglepő azoknak az embereknek, akik szorosan együttműködnek ezen a területen, mert felismerik, hogy a csoport sebessége (az a sebesség, amelyet az impulzus csúcsa mozgat) nem csupán az összes frekvencia sebességéhez kapcsolódik, amelyek az impulzus létrehozására szolgálnak – magyarázta Robertson -, hanem sokkal inkább arra a módra, ahogyan egy anyag vagy egy szűrő megváltoztatja az ezen komponensek közötti fáziskapcsolatot. Megfelelő fázismanipulációval (újraváltással) a csoport sebessége növelhető vagy csökkenthető. ”

A spektrális komponensek átfestéséhez a hanghullámokat átküldtük aszimmetrikus hurokszűrő egy körülbelül 8 m hosszú PVC cső hullámvezetőjén. A 0,65 méteres hurok a hanghullámokat két egyenlőtlen úthosszra osztotta fel, pusztító interferenciát és állóhullám-rezonanciákat eredményezve, amelyek együttesen szabályos frekvenciákon terjesztették az áttörést.

A rendellenes diszperzió miatt (amely megváltoztatja a hullám sebességét) a hurokszűrőn áthaladó hangimpulzusok hamarabb érkeztek a kijárathoz, mint az egyenesen a PVC-n keresztül haladó impulzusok. Ezzel a kísérlettel a csoportsebesség valóban végtelenül kis időt érhet el, bár az egyes spektrális komponensek még mindig hangsebességgel haladnak.

“Elértük az úgynevezett” negatív csoportsebességet “is, egy olyan helyzetet, amikor a kimeneti impulzus csúcsa kilép a szűrőből, mielőtt a bemeneti impulzus csúcsa elérné a szűrő elejét, – magyarázta Robertson. “A sebesség definíciójának használatával, amely egyenlő az idővel elosztott távolsággal, negatív időt mértünk, és így negatív sebességet értünk el.”

Nem tűnhet úgy, hogy a negatív sebesség meghaladja a sebességet. fénysebesség, de ebben az esetben Robertson szerint az impulzus sebessége valójában sokkal gyorsabb, mint c.

“Vegye figyelembe az impulzus sebességét egy kicsit kevésbé drámai esetben” – mondta Robertson. “Tegyük fel, hogy a kimeneti impulzus csúcsa pontosan ugyanabban az időben lép ki a szűrőből, amikor a bemeneti impulzus eléri az elejét. Ebben a kevésbé drámai esetben a tranzitidő nulla, a sebesség (a nullával elosztott távolság) pedig végtelen. Tehát a végtelenségen voltunk túl! („A végtelenségig és azon túl”, ellopni egy sort a Toy Story-tól.) Kísérletünkben negatív tranzitidőt mértünk, amely negatív csoportsebességnek -52 m / s felel meg. ”

Bár ezek az eredmények elsőre úgy tűnhetnek, hogy sértik a speciális relativitáselméletet (Einstein törvénye szerint egyetlen tárgyi tárgy sem meghaladhatja a fénysebességet), e kísérletek tényleges jelentősége kissé eltér. Az ilyen típusú szuperluminális jelenségek, Robertson et al. megmagyarázni, megsérteni sem az okságot, sem a speciális relativitáselméletet, és nem teszik lehetővé az információ gyorsabb utazását, mint c. Valójában az elméleti munka azt jósolta, hogy a hanghullámok csoportos sebességének szuperuminális sebességének léteznie kell.

“A látszólagos paradoxon megértésének kulcsa, hogy egyetlen hullámenergia sem haladja meg a fénysebességet” – mondta Robertson. “Mivel az impulzust egy szűrőn adtuk át, a felgyorsított impulzus sokkal kisebb volt (több mint 10-szeresével), mint a bemeneti impulzus. Lényegében a szűrőn átjutó impulzus a bemeneti impulzus pontos (de kisebb) mása volt. Ezt a másolatot a bemeneti impulzus elülső éléből faragják. A szűrőtartományt átlépő hullám nettó energiája mindenkor megegyezett azzal az energiával, vagy kevesebb volt, mint akkor, ha a bemeneti impulzus egyenes csőben haladt volna, nem pedig a szűrőn. ”

Ez a jelenség egyszerűen okos felépítés eredménye, vagy valóban előfordulhat a való világban is? A tudósok szerint a hurokszűrőben bekövetkező interferencia közvetlenül analóg az építészeti akusztika “fésűszűrő” effektusával, ahol a hanginterferencia közvetlenül a forrásból származó és a kemény felület által visszatükröződő hang között fordul elő.

“Az általunk leírt szuperluminális akusztikus hatás valószínűleg mindenütt jelen lévő, de észrevehetetlen jelenség a mindennapi világban” – összegzik a tudósok.