For første gang har forskere eksperimentelt demonstrert at lydpulser kan bevege seg med hastigheter raskere enn lysets hastighet, c. William Robertsons team fra Middle Tennessee State University viste også at gruppehastigheten til lydbølger kan bli uendelig, og til og med negativ.

Tidligere eksperimenter har vist at gruppehastighetene til andre materialers komponenter – som optiske, mikrobølgeovn og elektriske pulser – kan overstige lysets hastighet. Men mens de enkelte spektrale komponentene i disse pulser har hastigheter veldig nær c, er lydbølgekomponentene nesten seks størrelsesordener langsommere enn lys (sammenlign 340 m / s til 300 000 000 m / s).

«All interessen for rask (og langsom) bølgehastighet for alle typer bølger (optisk, elektrisk og akustisk) var i utgangspunktet å få en grunnleggende forståelse av egenskapene til bølgeutbredelse,» sa Robertson til PhysOrg.com. «Fasemanipulering kan endre faseforholdet mellom disse materialene. Å bruke lyd for å skape en gruppehastighet som overstiger lyshastigheten er viktig her fordi det dramatisk illustrerer dette punktet på grunn av den store forskjellen mellom lyd- og lyshastighetene. ”

Eksperimentet ble utført av to undergrads, en videregående lærer i området og to videregående studenter, som mottok støtte fra et NSF STEP (Science, technology, engineering, math Talent Enhancement Program) stipend. Tilskuddet tar sikte på å øke rekruttering og oppbevaring av studenter til disse fagene.

I eksperimentet oppnådde forskerne superluminal lydhastighet ved å omformulere spektralkomponentene til lydpulsene, som senere rekombineres for å danne et identisk utseende en del av pulsen mye lenger inne i pulsen. Så det er ikke de faktiske lydbølgene som overstiger c, men bølgenes «gruppehastighet» eller «lengden på prøven delt på tiden det tar for en pulstopp å krysse prøven.»

«Resultatet av lyden raskere enn lyset vil ikke være en overraskelse for folkene som jobber tett i dette området fordi de anerkjenner at gruppehastigheten (hastigheten som toppen av en puls beveger seg) er ikke bare koblet til hastigheten til alle frekvensene som ligger til grunn for å skape den pulsen, ”forklarte Robertson,” men snarere til måten et materiale eller et filter endrer faseforholdet mellom disse komponentene på. Ved passende fasemanipulering (omfasing) kan gruppehastigheten økes eller reduseres. ”

For å omformulere spektralkomponentene ble lydbølgene sendt gjennom et asymmetrisk sløyfefilter på en bølgeleder av PVC-rør, omtrent 8 m langt. Den 0,65 meter lange sløyfen delte lydbølgene i to forskjellige banelengder, noe som resulterte i destruktiv forstyrrelse og stående bølgeresonanser som til sammen skapte overføringsfall ved vanlige frekvenser.

På grunn av uregelmessig spredning (som endrer bølgehastigheten) ankom lydpulser som beveger seg gjennom sløyfefilteret før utgangen enn pulser som beveger seg rett gjennom PVC. Med dette eksperimentet kunne gruppehastigheten faktisk nå uendelig liten tid, selv om de enkelte spektrale komponentene fremdeles beveger seg med lydhastigheten.

«Vi oppnådde også det som er kjent som en» negativ gruppehastighet «, en situasjon der toppen av utgangspulsen kommer ut av filteret før toppen av inngangspulsen har nådd begynnelsen av filteret, Forklarte Robertson. «Ved å bruke definisjonen for hastighet som lik avstand delt på tid, målte vi en negativ tid og realiserte dermed en negativ hastighet.»

Det ser ikke ut til at en negativ hastighet vil overstige lyshastighet, men i dette tilfellet, sa Robertson, er hastigheten på pulsen faktisk mye raskere enn c.

«Tenk på pulshastigheten i et litt mindre dramatisk tilfelle,» sa Robertson. «Si at toppen av utgangspulsen kommer ut av filteret på nøyaktig samme tid som inngangspulsen når begynnelsen. I dette mindre dramatiske tilfellet er transittiden null og hastigheten (avstand delt på null) er uendelig. Så vi var utenfor uendelig! (‘To infinity and beyond,’ for å stjele en linje fra Toy Story.) I eksperimentet vårt målte vi en negativ transittid som tilsvarer en negativ gruppehastighet på -52 m / s. ”

Selv om slike resultater i utgangspunktet kan se ut til å bryte spesiell relativitet (Einsteins lov om at ingen materielle objekter kan overstige lysets hastighet), er den faktiske betydningen av disse eksperimentene litt annerledes. Disse typer superluminale fenomener, Robertson et al. forklare, bryter verken kausalitet eller spesiell relativitet, og gjør heller ikke at informasjon kan reise raskere enn c. Faktisk hadde teoretisk arbeid spådd at superluminalhastigheten til gruppehastigheten til lydbølger skulle eksistere.

«Nøkkelen til å forstå dette tilsynelatende paradokset er at ingen bølgeenergi overstiger lysets hastighet,» sa Robertson. . «Fordi vi passerte pulsen gjennom et filter, var den fremskyndede pulsen mye mindre (med mer enn en faktor 10) enn inngangspulsen. I hovedsak var pulsen som kom gjennom filteret en nøyaktig (men mindre) kopi av inngangspulsen. Denne kopien er skåret ut fra forkant av inngangspulsen. Til enhver tid var nettoenergien til bølgen som krysser filterområdet lik eller mindre enn energien som ville ha kommet dersom inngangspulsen hadde beveget seg i et rett rør i stedet for gjennom filteret. ”

Er dette fenomenet bare et resultat av en smart oppsett, eller kan det faktisk forekomme i den virkelige verden? Ifølge forskerne er interferensen som oppstår i loopfilteret direkte analog med «kamfiltreringseffekten» i arkitektonisk akustikk, der lydinterferens oppstår mellom lyd direkte fra en kilde og den som reflekteres av en hard overflate.

«Den superluminale akustiske effekten vi har beskrevet er sannsynligvis et allestedsnærværende, men umerkelig fenomen i hverdagsverdenen,» konkluderer forskerne.