Per la prima volta, gli scienziati hanno dimostrato sperimentalmente che gli impulsi sonori possono viaggiare a velocità superiori a la velocità della luce, c. Il team di William Robertson della Middle Tennessee State University ha anche dimostrato che la velocità di gruppo delle onde sonore può diventare infinita e persino negativa.

Esperimenti passati hanno dimostrato che le velocità di gruppo dei componenti di altri materiali, come impulsi ottici, microonde ed elettrici, possono superare la velocità della luce. Ma mentre le singole componenti spettrali di questi impulsi hanno velocità molto vicine a c, le componenti delle onde sonore sono quasi sei ordini di grandezza più lente della luce (confronta 340 m / sa 300.000.000 m / s).

“Tutto l’interesse per la velocità delle onde veloci (e lente) per tutti i tipi di onde (ottiche, elettriche e acustiche) era inizialmente per acquisire una comprensione fondamentale delle caratteristiche della propagazione delle onde”, ha detto Robertson a PhysOrg.com. “Manipolazione di fase può modificare la relazione di fase tra i componenti di questi materiali. Usare il suono per creare una velocità di gruppo che superi la velocità della luce è significativo qui perché illustra in modo drammatico questo punto, a causa della grande differenza tra le velocità del suono e della luce. “

L’esperimento è stato condotto da due studenti universitari, un insegnante di scuola superiore di zona e due studenti di scuola superiore, che hanno ricevuto finanziamenti da una borsa NSF STEP (Science, technology, engineering, math Talent Enhancement Program). La sovvenzione mira ad aumentare il reclutamento e la fidelizzazione degli studenti verso questi soggetti.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno raggiunto la velocità del suono superluminale rifasando le componenti spettrali degli impulsi sonori, che successivamente si ricombinano per formare un identico aspetto parte dell’impulso molto più avanti all’interno dell’impulso. Quindi non sono le onde sonore effettive che superano c, ma la “velocità di gruppo” delle onde o la “lunghezza del campione divisa per il tempo impiegato dal picco di un impulso per attraversare il campione”.

“Il risultato di un suono più veloce della luce non sarà una sorpresa per le persone che lavorano a stretto contatto in quest’area perché riconoscono che la velocità di gruppo (la velocità con cui si muove il picco di un impulso) è non solo connesso alla velocità di tutte le frequenze che si sovrappongono per creare quell’impulso “, ha spiegato Robertson,” ma piuttosto al modo in cui un materiale o un filtro cambia la relazione di fase tra questi componenti. Mediante un’appropriata manipolazione di fase (rifasamento) la velocità del gruppo può essere aumentata o diminuita. “

Per rifasare le componenti spettrali, le onde sonore sono state inviate attraverso un filtro ad anello asimmetrico su una guida d’onda di tubo in PVC, lungo circa 8 m. Il loop di 0,65 metri ha diviso le onde sonore in due lunghezze di percorso disuguali, provocando interferenze distruttive e risonanze delle onde stazionarie che insieme hanno creato cali di trasmissione a frequenze regolari.

A causa di una dispersione anomala (che modifica la velocità dell’onda), gli impulsi sonori che viaggiano attraverso il filtro ad anello sono arrivati all’uscita prima degli impulsi che viaggiano direttamente attraverso il PVC. Con questo esperimento, la velocità del gruppo potrebbe effettivamente raggiungere una quantità di tempo infinitamente piccola, sebbene le singole componenti spettrali viaggino ancora alla velocità del suono.

“Abbiamo anche ottenuto la cosiddetta” velocità di gruppo negativa “, una situazione in cui il picco dell’impulso di uscita esce dal filtro prima che il picco dell’impulso di ingresso abbia raggiunto l’inizio del filtro, “Ha spiegato Robertson.” Usando la definizione di velocità come uguale alla distanza divisa per il tempo, abbiamo misurato un tempo negativo e quindi realizzato una velocità negativa. “

Potrebbe non sembrare che una velocità negativa supererebbe la velocità della luce, ma in questo caso, ha detto Robertson, la velocità dell’impulso è in realtà molto più veloce di c.

“Considera la velocità dell’impulso in un caso leggermente meno drammatico”, ha detto Robertson. “Supponiamo che il picco dell’impulso in uscita esca dal filtro esattamente nello stesso momento in cui l’impulso in ingresso raggiunge l’inizio. In questo caso meno drammatico, il tempo di transito è zero e la velocità (distanza divisa per zero) è infinita. Quindi eravamo oltre l’infinito! (“Verso l’infinito e oltre”, per rubare una battuta a Toy Story.) Nel nostro esperimento, abbiamo misurato un tempo di transito negativo corrispondente a una velocità di gruppo negativa di -52 m / s. “

Sebbene tali risultati a prima vista possano sembrare violare la relatività ristretta (la legge di Einstein secondo cui nessun oggetto materiale può superare la velocità della luce), il significato effettivo di questi esperimenti è leggermente diverso. Questi tipi di fenomeni superluminali, Robertson et al. spiegare, non violare né la causalità né la relatività speciale, né consentono alle informazioni di viaggiare più velocemente di c. In effetti, il lavoro teorico aveva predetto che dovrebbe esistere la velocità superluminale della velocità di gruppo delle onde sonore.

“La chiave per comprendere questo apparente paradosso è che nessuna energia delle onde ha superato la velocità della luce”, ha detto Robertson . “Poiché stavamo facendo passare l’impulso attraverso un filtro, l’impulso accelerato era molto più piccolo (di più di un fattore 10) dell’impulso di ingresso. In sostanza, l’impulso che ha attraversato il filtro era una replica esatta (ma più piccola) dell’impulso di ingresso. Questa replica è scolpita dal bordo anteriore dell’impulso di ingresso. In ogni momento, l’energia netta dell’onda che attraversava la regione del filtro era uguale o inferiore all’energia che sarebbe arrivata se l’impulso in ingresso avesse viaggiato in un tubo diritto invece che attraverso il filtro. “

Questo fenomeno è semplicemente il risultato di una configurazione intelligente o può effettivamente verificarsi nel mondo reale? Secondo gli scienziati, l’interferenza che si verifica nel filtro ad anello è direttamente analoga all’effetto “filtro a pettine” nell’acustica architettonica, dove l’interferenza del suono si verifica tra il suono direttamente da una sorgente e quello riflesso da una superficie dura.

“L’effetto acustico superluminale che abbiamo descritto è probabilmente un fenomeno onnipresente ma impercettibile nel mondo di tutti i giorni”, concludono gli scienziati.