Zum ersten Mal haben Wissenschaftler experimentell gezeigt, dass Schallimpulse mit einer Geschwindigkeit schneller als wandern können die Lichtgeschwindigkeit, c. Das Team von William Robertson von der Middle Tennessee State University hat auch gezeigt, dass die Gruppengeschwindigkeit von Schallwellen unendlich und sogar negativ werden kann.

Frühere Experimente haben gezeigt dass die Gruppengeschwindigkeiten der Komponenten anderer Materialien – wie optische, Mikrowellen- und elektrische Impulse – die Lichtgeschwindigkeit überschreiten können. Während die einzelnen Spektralkomponenten dieser Impulse Geschwindigkeiten sehr nahe an c haben, sind die Komponenten der Schallwellen fast sechs Größenordnungen langsamer als Licht (vergleiche 340 m / s mit 300.000.000 m / s).

„Das gesamte Interesse an schneller (und langsamer) Wellengeschwindigkeit für alle Arten von Wellen (optisch, elektrisch und akustisch) bestand zunächst darin, ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften der Wellenausbreitung zu erlangen“, sagte Robertson gegenüber PhysOrg.com kann die Phasenbeziehung zwischen den Komponenten dieser Materialien ändern. Die Verwendung von Schall zur Erzeugung einer Gruppengeschwindigkeit, die die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, ist hier von Bedeutung, da dieser Punkt aufgrund des großen Unterschieds zwischen Schall- und Lichtgeschwindigkeit dramatisch veranschaulicht wird. “

Das Experiment wurde von zwei Personen durchgeführt Studenten, ein Highschool-Lehrer aus der Region und zwei Highschool-Schüler, die durch ein NSF STEP-Stipendium (Science, Technology, Engineering, Math Talent Enhancement Program) finanziert wurden. Das Stipendium zielt darauf ab, die Rekrutierung und Bindung von Studenten für diese Fächer zu erhöhen.

In ihrem Experiment erreichten die Forscher eine superluminale Schallgeschwindigkeit, indem sie die Spektralkomponenten der Schallimpulse neu phasen, die später zu einem identischen Aussehen rekombinieren Teil des Pulses viel weiter innerhalb des Pulses. Es sind also nicht die tatsächlichen Schallwellen, die c überschreiten, sondern die „Gruppengeschwindigkeit“ der Wellen oder die „Länge der Probe geteilt durch die Zeit, die die Spitze eines Impulses benötigt, um die Probe zu durchlaufen“.

„Das Ergebnis, dass der Ton schneller als das Licht ist, wird die Leute, die in diesem Bereich eng zusammenarbeiten, nicht überraschen, da sie erkennen, dass die Gruppengeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, mit der sich die Spitze eines Impulses bewegt) ist nicht nur mit der Geschwindigkeit aller Frequenzen verbunden, die sich überlagern, um diesen Impuls zu erzeugen „, erklärte Robertson,“ sondern vielmehr mit der Art und Weise, wie ein Material oder ein Filter die Phasenbeziehung zwischen diesen Komponenten ändert. Durch geeignete Phasenmanipulation (Rephasing) kann die Gruppengeschwindigkeit erhöht oder verringert werden. “

Um die Spektralkomponenten neu zu phasen, wurden die Schallwellen durchgeschickt ein asymmetrischer Schleifenfilter auf einem Wellenleiter aus PVC-Rohr, etwa 8 m lang. Die 0,65-Meter-Schleife teilte die Schallwellen in zwei ungleiche Weglängen auf, was zu destruktiven Interferenzen und stehenden Wellenresonanzen führte, die zusammen Übertragungseinbrüche bei regulären Frequenzen erzeugten.

Aufgrund einer anomalen Dispersion (die die Wellengeschwindigkeit ändert) kamen Schallimpulse, die durch das Schleifenfilter wandern, früher am Ausgang an als Impulse, die direkt durch das PVC laufen. Mit diesem Experiment könnte die Gruppengeschwindigkeit tatsächlich eine unendlich kleine Zeitspanne erreichen, obwohl sich die einzelnen Spektralkomponenten immer noch mit Schallgeschwindigkeit bewegen.

„Wir haben auch eine sogenannte“ negative Gruppengeschwindigkeit „erreicht, eine Situation, in der die Spitze des Ausgangsimpulses das Filter verlässt, bevor die Spitze des Eingangsimpulses den Anfang des Filters erreicht hat. „Erklärte Robertson.“ Unter Verwendung der Definition für Geschwindigkeit als gleich der Entfernung geteilt durch die Zeit haben wir eine negative Zeit gemessen und somit eine negative Geschwindigkeit realisiert. „

Es scheint nicht, dass eine negative Geschwindigkeit die überschreiten würde Lichtgeschwindigkeit, aber in diesem Fall, sagte Robertson, ist die Geschwindigkeit des Impulses tatsächlich viel schneller als c.

„Betrachten Sie die Impulsgeschwindigkeit in einem etwas weniger dramatischen Fall“, sagte Robertson. „Angenommen, die Spitze des Ausgangsimpulses verlässt den Filter genau zur gleichen Zeit, zu der der Eingangsimpuls den Anfang erreicht.“ In diesem weniger dramatischen Fall ist die Laufzeit Null und die Geschwindigkeit (Entfernung geteilt durch Null) ist unendlich. Wir waren also unendlich! („Bis ins Unendliche und darüber hinaus“, um eine Zeile aus Toy Story zu stehlen.) In unserem Experiment haben wir eine negative Laufzeit gemessen, die einer negativen Gruppengeschwindigkeit von -52 m / s entspricht. “

Obwohl solche Ergebnisse zunächst die spezielle Relativitätstheorie zu verletzen scheinen (Einsteins Gesetz, dass kein materieller Gegenstand kann die Lichtgeschwindigkeit überschreiten), die tatsächliche Bedeutung dieser Experimente ist etwas anders. Diese Arten von superluminalen Phänomenen haben Robertson et al. erklären, verletzen weder die Kausalität noch die spezielle Relativitätstheorie, noch ermöglichen sie es Informationen, schneller als c zu reisen. Tatsächlich hatten theoretische Arbeiten vorausgesagt, dass die Superluminalgeschwindigkeit der Gruppengeschwindigkeit von Schallwellen existieren sollte.

„Der Schlüssel zum Verständnis dieses scheinbaren Paradoxons liegt darin, dass keine Wellenenergie die Lichtgeschwindigkeit überschreitet“, sagte Robertson „Da wir den Impuls durch ein Filter geleitet haben, war der beschleunigte Impuls viel kleiner (um mehr als den Faktor 10) als der Eingangsimpuls. Im Wesentlichen war der Impuls, der es durch den Filter schaffte, eine exakte (aber kleinere) Nachbildung des Eingangsimpulses. Diese Replik wird aus der Vorderflanke des Eingangsimpulses geschnitzt. Zu allen Zeiten war die Nettoenergie der Welle, die den Filterbereich durchquert, gleich oder kleiner als die Energie, die angekommen wäre, wenn der Eingangsimpuls in einem geraden Rohr anstatt durch das Filter gelaufen wäre. “

Ist dieses Phänomen einfach das Ergebnis einer cleveren Einrichtung oder kann es tatsächlich in der realen Welt auftreten? Laut den Wissenschaftlern ist die Interferenz, die im Schleifenfilter auftritt, direkt analog zum „Kammfilter“ -Effekt in der Architekturakustik, bei dem Schallinterferenzen zwischen Schall direkt von einer Quelle und dem von einer harten Oberfläche reflektierten auftreten.

„Der von uns beschriebene superluminale akustische Effekt ist wahrscheinlich ein allgegenwärtiges, aber nicht wahrnehmbares Phänomen in der Alltagswelt“, schließen die Wissenschaftler.