Po raz pierwszy naukowcy wykazali eksperymentalnie, że impulsy dźwiękowe mogą przemieszczać się z prędkością większą niż prędkość światła, c. Zespół Williama Robertsona z Middle Tennessee State University wykazał również, że prędkość grupowa fal dźwiękowych może stać się nieskończona, a nawet ujemna.

Wcześniejsze eksperymenty wykazały że prędkości grupowe składników innych materiałów – takich jak impulsy optyczne, mikrofalowe i elektryczne – mogą przekraczać prędkość światła. Ale podczas gdy poszczególne składowe widmowe tych impulsów mają prędkości bardzo bliskie c, składowe fal dźwiękowych są prawie sześć rzędów wielkości wolniejsze od światła (porównaj 340 m / s do 300 000 000 m / s).

„Całe zainteresowanie szybką (i wolną) prędkością fal dla wszystkich typów fal (optycznych, elektrycznych i akustycznych) miało początkowo na celu uzyskanie fundamentalnej wiedzy na temat charakterystyki propagacji fal” – powiedział Robertson PhysOrg.com. „Manipulacja fazą może zmienić relacje fazowe między komponentami tych materiałów. Użycie dźwięku do stworzenia prędkości grupowej, która przekracza prędkość światła, jest tutaj istotne, ponieważ dramatycznie ilustruje ten punkt, ze względu na dużą różnicę między prędkościami dźwięku i światła.

Eksperyment przeprowadziło dwóch studenci, nauczyciel miejscowego liceum i dwóch licealistów, którzy otrzymali dofinansowanie z grantu NSF STEP (Science, Technology, Engineering, Math Talent Enhancement Program). Grant ma na celu zwiększenie rekrutacji i zatrzymania studentów na tych przedmiotach.

W swoim eksperymencie naukowcy osiągnęli ponadświetlną prędkość dźwięku poprzez zmianę fazy składowych widmowych impulsów dźwiękowych, które później rekombinują, tworząc identycznie wyglądający część impulsu znacznie dalej w obrębie impulsu. Zatem to nie rzeczywiste fale dźwiękowe przekraczają c, ale „prędkość grupy” fal lub „długość próbki podzielona przez czas potrzebny na przejście szczytu impulsu przez próbkę”.

„Wynik szybszego od światła dźwięku nie będzie zaskoczeniem dla osób, które ściśle współpracują w tej dziedzinie, ponieważ rozpoznają, że prędkość grupowa (prędkość, z jaką porusza się szczyt impulsu) jest nie tylko związane z prędkością wszystkich częstotliwości, które nakładają się na siebie, aby wytworzyć ten impuls ”, wyjaśnił Robertson,„ ale raczej ze sposobem, w jaki materiał lub filtr zmienia relacje fazowe między tymi składowymi. Poprzez odpowiednią manipulację fazą (zmianę fazy) prędkość grupy można zwiększyć lub zmniejszyć. ”

Aby zmienić fazę składowych widmowych, fale dźwiękowe zostały przesłane asymetryczny filtr pętlowy na falowodzie z rurki PVC o długości około 8 m. Pętla o długości 0,65 metra rozdzieliła fale dźwiękowe na dwie nierówne długości ścieżki, powodując destrukcyjne interferencje i rezonanse fal stojących, które razem spowodowały spadki transmisji przy regularnych częstotliwościach.

Ze względu na anomalną dyspersję (która zmienia prędkość fali), impulsy dźwiękowe podróżujące przez filtr pętli docierały do wyjścia wcześniej niż impulsy podróżujące prosto przez PVC. W tym eksperymencie prędkość grupowa mogłaby w rzeczywistości osiągnąć nieskończenie krótki czas, chociaż poszczególne składowe widma nadal poruszają się z prędkością dźwięku.

„Osiągnęliśmy również tak zwaną„ ujemną prędkość grupową ”, czyli sytuację, w której szczyt impulsu wyjściowego opuszcza filtr, zanim szczyt impulsu wejściowego osiągnie początek filtra, ”Wyjaśnił Robertson.„ Używając definicji prędkości jako równej odległości podzielonej przez czas, zmierzyliśmy ujemny czas i w ten sposób uzyskaliśmy ujemną prędkość. ”

Nie może się wydawać, że ujemna prędkość przekroczyłaby prędkość światła, ale w tym przypadku, powiedział Robertson, prędkość impulsu jest w rzeczywistości znacznie większa niż c.

„Rozważmy prędkość impulsu w nieco mniej dramatycznym przypadku” – powiedział Robertson. „Powiedzmy, że szczyt impulsu wyjściowego opuszcza filtr dokładnie w tym samym czasie, w którym impuls wejściowy osiąga początek. W tym mniej dramatycznym przypadku czas przejścia wynosi zero, a prędkość (odległość podzielona przez zero) jest nieskończona. Więc byliśmy poza nieskończonością! („To infinity and dalej”, aby ukraść tekst z Toy Story.) W naszym eksperymencie zmierzyliśmy ujemny czas przejścia odpowiadający ujemnej prędkości grupowej wynoszącej -52 m / s. ”

Chociaż takie wyniki mogą początkowo wydawać się naruszeniem szczególnej teorii względności (prawo Einsteina, że żaden obiekt materialny może przekroczyć prędkość światła), rzeczywiste znaczenie tych eksperymentów jest nieco inne. Tego typu zjawiska nadświetlne, Robertson i in. wyjaśniają, nie naruszają ani przyczynowości, ani szczególnej teorii względności, ani nie umożliwiają przepływu informacji szybciej niż c. W rzeczywistości prace teoretyczne przewidywały, że powinna istnieć nadświetlna prędkość grupowej prędkości fal dźwiękowych.

„Kluczem do zrozumienia tego pozornego paradoksu jest to, że żadna energia fali nie przekroczyła prędkości światła” – powiedział Robertson „Ponieważ przepuszczaliśmy impuls przez filtr, przyspieszony impuls był znacznie mniejszy (o więcej niż współczynnik 10) niż impuls wejściowy. Zasadniczo impuls, który przeszedł przez filtr, był dokładną (ale mniejszą) repliką impulsu wejściowego. Ta replika jest wyrzeźbiona od przedniej krawędzi impulsu wejściowego. Przez cały czas energia netto fali przechodzącej przez obszar filtra była równa lub mniejsza niż energia, która przybyłaby, gdyby impuls wejściowy podróżował w prostej rurze zamiast przez filtr. ”

Czy to zjawisko jest po prostu wynikiem sprytnej konfiguracji, czy może faktycznie występuje w prawdziwym świecie? Zdaniem naukowców interferencja występująca w filtrze pętlowym jest bezpośrednio analogiczna do efektu „filtrowania grzebieniowego” w akustyce architektonicznej, gdzie interferencja dźwięku występuje pomiędzy dźwiękiem pochodzącym bezpośrednio ze źródła a tym odbitym od twardej powierzchni.

„Opisany przez nas ponadświetlny efekt akustyczny jest prawdopodobnie wszechobecnym, ale niedostrzegalnym zjawiskiem w codziennym świecie” – podsumowują naukowcy.