科学者たちは、音速がより速い速度で伝わることが初めて実験的に実証されました。光速、c。ミドルテネシー州立大学のウィリアムロバートソンのチームは、音波の群速度が無限になり、さらには負になる可能性があることも示しました。

過去の実験で実証されています光、マイクロ波、電気パルスなど、他の材料の成分の群速度が光速を超える可能性があること。しかし、これらのパルスの個々のスペクトル成分はcに非常に近い速度を持っていますが、音波の成分は光よりもほぼ6桁遅いです（340 m / sと300,000,000m / sを比較してください）。

「すべてのタイプの波（光学的、電気的、音響的）の速い（そして遅い）波速度への関心はすべて、最初は波動伝搬の特性の基本的な理解を得ることでした」とロバートソンはPhysOrg.comに語った。これらの材料のコンポーネント間の位相関係を変更できます。ここでは、音と光の速度の差が大きいため、音を使用して光の速度を超える群速度を作成することが重要です。これは、この点を劇的に示しているためです。」

実験は2人で実施しました。 NSF STEP（科学、技術、工学、数学の才能向上プログラム）の助成金を受けた学部生、地域の高校教師と2人の高校生。この助成金は、これらの科目への学生の採用と定着率を高めることを目的としています。

彼らの実験では、研究者は、音速のスペクトル成分をリフェージングすることによって超光速音速を達成しました。パルス内のはるか遠くにあるパルスの一部。したがって、cを超えるのは実際の音波ではなく、波の「群速度」、つまり「サンプルの長さをパルスのピークがサンプルを通過するのにかかる時間で割ったもの」です。

「光速よりも速い音の結果は、群速度（パルスのピークが移動する速度）がであると認識しているため、この領域で緊密に作業している人々にとっては驚きではありません。ロバートソンは、「そのパルスを生成するために重なるすべての周波数の速度に関連するだけでなく、材料またはフィルターがこれらのコンポーネント間の位相関係を変更する方法に関連しています。適切な位相操作（リフェーズ）により、群速度を増減できます。」

スペクトル成分をリフェーズするために、音波が送信されました。長さ約8mのPVCパイプの導波管上の非対称ループフィルター。 0.65メートルのループは、音波を2つの等しくない経路長に分割し、破壊的な干渉と定在波の共振を引き起こし、それらが一緒になって通常の周波数で伝送ディップを作成しました。

異常な分散（波の速度を変化させる）のため、ループフィルターを通過する音のパルスは、PVCを直接通過するパルスよりも早く出口に到着しました。この実験では、個々のスペクトル成分は音速で移動しますが、群速度は実際には無限に短い時間に達する可能性があります。

「「負の群速度」と呼ばれる状況も達成しました。これは、入力パルスのピークがフィルターの先頭に到達する前に、出力パルスのピークがフィルターを出る状況です。 「速度を時間で割った距離に等しいという定義を使用して、負の時間を測定し、負の速度を実現しました。」

負の速度がを超えるとは思われないかもしれません。光の速度ですが、この場合、ロバートソンは、パルスの速度は実際にはcよりもはるかに速いと言いました。

「少し劇的でない場合のパルス速度を考慮してください」とRobertson氏は述べ、「入力パルスが開始に達するのとまったく同時に、出力パルスのピークがフィルターを出ると言います。このそれほど劇的ではないケースでは、通過時間はゼロであり、速度（距離をゼロで割ったもの）は無限大です。だから私たちは無限を超えていました！ （「無限のかなたへ」、トイストーリーから一線を盗む。）私たちの実験では、-52 m / sの負の群速度に対応する負の通過時間を測定しました。」

このような結果は、最初は特殊相対性理論に違反しているように見えるかもしれませんが（アインシュタインの法則では、物質的な物体はありません）光速を超える可能性があります）、これらの実験の実際の重要性は少し異なります。これらのタイプの超光速現象、Robertson etal。説明し、因果関係や特殊相対性理論に違反せず、情報がcよりも速く移動することを可能にしません。実際、理論的研究では、音波の群速度の超光速が存在するはずであると予測されていました。

「この一見逆説を理解するための鍵は、波のエネルギーが光速を超えないことです」とロバートソンは述べています。 「パルスをフィルターに通していたため、高速化されたパルスは入力パルスよりもはるかに小さかった（10倍以上）。基本的に、フィルターを通過したパルスは、入力パルスの正確な（ただし小さい）レプリカでした。このレプリカは、入力パルスのリーディングエッジから刻まれています。常に、フィルター領域を通過する波の正味のエネルギーは、入力パルスがフィルターを通過するのではなく直管を通過していた場合に到達するエネルギーと同じか、それよりも小さかった。」

この現象は単に巧妙な設定の結果ですか、それとも実際に現実の世界で発生する可能性がありますか？科学者によると、ループフィルターで発生する干渉は、建築音響の「コムフィルター」効果に直接類似しており、音源からの音と硬い表面で反射される音との間に音の干渉が発生します。

「私たちが説明した超管腔音響効果は、日常の世界ではどこにでもあるが知覚できない現象である可能性が高い」と科学者たちは結論付けています。