Voor het eerst hebben wetenschappers experimenteel aangetoond dat geluidspulsen sneller kunnen reizen dan de lichtsnelheid, c. Het team van William Robertson van de Middle Tennessee State University toonde ook aan dat de groepssnelheid van geluidsgolven oneindig en zelfs negatief kan worden.

Eerdere experimenten hebben aangetoond dat de groepssnelheden van de componenten van andere materialen – zoals optische, microgolf- en elektrische pulsen – de lichtsnelheid kunnen overschrijden. Maar hoewel de afzonderlijke spectrale componenten van deze pulsen snelheden hebben die zeer dicht bij c liggen, zijn de componenten van geluidsgolven bijna zes orden van grootte langzamer dan licht (vergelijk 340 m / s met 300.000.000 m / s).

“Alle interesse in snelle (en langzame) golfsnelheid voor alle soorten golven (optisch, elektrisch en akoestisch) was aanvankelijk om een fundamenteel begrip te krijgen van de karakteristieken van golfvoortplanting,” vertelde Robertson aan PhysOrg.com. “Fasemanipulatie kan de faserelatie tussen de componenten van deze materialen veranderen. Het gebruik van geluid om een groepssnelheid te creëren die hoger is dan de lichtsnelheid is hier significant omdat het dit punt dramatisch illustreert, vanwege het grote verschil tussen de snelheid van geluid en licht. “

Het experiment werd uitgevoerd door twee undergrads, een leraar van een gebiedshogeschool en twee middelbare scholieren, die financiering ontvingen van een NSF STEP-beurs (Science, Technology, Engineering, Math Talent Enhancement Program). De subsidie is bedoeld om de rekrutering en retentie van studenten voor deze onderwerpen te vergroten.

In hun experiment bereikten de onderzoekers een superluminale geluidssnelheid door de spectrale componenten van de geluidspulsen opnieuw te faseren, die later recombineren om een identiek ogend een deel van de puls veel verder in de puls. Het zijn dus niet de feitelijke geluidsgolven die hoger zijn dan c, maar de ‘groepssnelheid’ van de golven, of de ‘lengte van de sample gedeeld door de tijd die de piek van een puls nodig heeft om door de sample te gaan’.

“Het geluid-sneller-dan-licht resultaat zal geen verrassing zijn voor de mensen die nauw samenwerken op dit gebied, omdat ze erkennen dat de groepssnelheid (de snelheid waarmee de piek van een puls beweegt) is niet alleen verbonden met de snelheid van alle frequenties die over elkaar heen liggen om die puls te creëren, ‘legde Robertson uit,’ maar eerder met de manier waarop een materiaal of een filter de faserelatie tussen deze componenten verandert. Door de juiste fasemanipulatie (refasering) kan de groepssnelheid worden verhoogd of verlaagd. ”

Om de spectrale componenten opnieuw te faseren, werden de geluidsgolven door een asymmetrisch lusfilter op een golfgeleider van PVC-buis, ongeveer 8 m lang. De lus van 0,65 meter verdeelde de geluidsgolven in twee ongelijke padlengtes, wat resulteerde in destructieve interferentie en staande golfresonanties die samen transmissiedips op regelmatige frequenties creëerden.

Door een abnormale dispersie (die de golfsnelheid verandert), kwamen geluidspulsen die door het lusfilter gingen eerder aan bij de uitgang dan pulsen die dwars door het PVC gingen. Met dit experiment zou de groepssnelheid eigenlijk een oneindig kleine hoeveelheid tijd kunnen bereiken, hoewel de individuele spectrale componenten nog steeds met de snelheid van geluid reizen.

“We hebben ook bereikt wat bekend staat als een ‘negatieve groepssnelheid’, een situatie waarin de piek van de uitgangspuls het filter verlaat voordat de piek van de ingangspuls het begin van het filter heeft bereikt, “Legde Robertson uit.” Door de definitie van snelheid gelijk te stellen aan afstand gedeeld door tijd, maten we een negatieve tijd en realiseerden we dus een negatieve snelheid. “

Het lijkt misschien niet dat een negatieve snelheid de lichtsnelheid, maar in dit geval, zei Robertson, is de snelheid van de puls eigenlijk veel sneller dan c.

“Beschouw de pulssnelheid in een iets minder dramatisch geval,” zei Robertson. “Stel dat de piek van de uitgangspuls het filter verlaat op precies hetzelfde moment als de ingangspuls het begin bereikt. In dit minder dramatische geval is de looptijd nul en is de snelheid (afstand gedeeld door nul) oneindig. Dus we waren meer dan oneindig! (‘To infinity and beyond’, om een zin te stelen uit Toy Story.) In ons experiment hebben we een negatieve transittijd gemeten die overeenkomt met een negatieve groepssnelheid van -52 m / s. ”

Hoewel dergelijke resultaten op het eerste gezicht in strijd lijken te zijn met de speciale relativiteitstheorie (de wet van Einstein dat geen materieel bezwaar kan de lichtsnelheid overschrijden), is de werkelijke betekenis van deze experimenten een beetje anders. Dit soort superluminale verschijnselen, Robertson et al. verklaren, schenden noch causaliteit, noch speciale relativiteitstheorie, noch zorgen ze ervoor dat informatie sneller reist dan c. In feite had theoretisch werk voorspeld dat de superluminale snelheid van de groepssnelheid van geluidsgolven zou moeten bestaan.

“De sleutel tot het begrijpen van deze schijnbare paradox is dat geen enkele golfenergie de snelheid van het licht overschreed”, aldus Robertson “Omdat we de puls door een filter lieten gaan, was de versnelde puls veel kleiner (meer dan een factor 10) dan de ingangspuls. In wezen was de puls die door het filter kwam een exacte (maar kleinere) replica van de ingangspuls. Deze replica is gesneden uit de voorflank van de ingangspuls. Te allen tijde was de netto-energie van de golf die het filtergebied passeerde gelijk aan, of kleiner dan, de energie die zou zijn binnengekomen als de ingangspuls in een rechte pijp was geweest in plaats van door het filter. “

Is dit fenomeen gewoon het resultaat van een slimme set-up, of kan het ook daadwerkelijk in de echte wereld voorkomen? Volgens de wetenschappers is de interferentie die optreedt in het lusfilter direct analoog aan het “kamfiltering” -effect in architectonische akoestiek, waar geluidsinterferentie optreedt tussen geluid direct van een bron en dat weerkaatst door een hard oppervlak.

“Het superluminale akoestische effect dat we hebben beschreven, is waarschijnlijk een alomtegenwoordig maar onmerkbaar fenomeen in de dagelijkse wereld”, concluderen de wetenschappers.