Pela primeira vez, os cientistas demonstraram experimentalmente que os pulsos sonoros podem viajar a velocidades mais rápidas do que a velocidade da luz, c. A equipe de William Robertson da Middle Tennessee State University também mostrou que a velocidade de grupo das ondas sonoras pode se tornar infinita e até negativa.

Experimentos anteriores demonstraram que as velocidades de grupo dos componentes de outros materiais – como pulsos ópticos, de microondas e elétricos – podem exceder a velocidade da luz. Mas, embora os componentes espectrais individuais desses pulsos tenham velocidades muito próximas de c, os componentes das ondas sonoras são quase seis ordens de magnitude mais lentas que a luz (compare 340 m / s a 300.000.000 m / s).

“Todo o interesse em velocidade de onda rápida (e lenta) para todos os tipos de ondas (óticas, elétricas e acústicas) foi inicialmente para obter uma compreensão fundamental das características da propagação das ondas”, disse Robertson ao PhysOrg.com. “Manipulação de fase pode alterar a relação de fase entre os componentes desses materiais. Usar o som para criar uma velocidade de grupo que excede a velocidade da luz é significativo aqui porque ilustra dramaticamente esse ponto, devido à grande diferença entre as velocidades do som e da luz. ”

O experimento foi conduzido por dois alunos de graduação, um professor do ensino médio da área e dois alunos do ensino médio, que receberam financiamento de uma bolsa NSF STEP (Ciência, tecnologia, engenharia, matemática Programa de Aprimoramento de Talentos). A bolsa visa aumentar o recrutamento e retenção de alunos para essas disciplinas.

Em seu experimento, os pesquisadores alcançaram a velocidade do som superluminal ao refasear os componentes espectrais dos pulsos de som, que mais tarde se recombinarão para formar uma imagem idêntica parte do pulso muito mais adiante dentro do pulso. Portanto, não são as ondas sonoras reais que excedem c, mas a “velocidade do grupo” das ondas ou o “comprimento da amostra dividido pelo tempo gasto para o pico de um pulso atravessar a amostra.”

“O resultado de som mais rápido que a luz não será uma surpresa para as pessoas que trabalham de perto nesta área, porque reconhecem que a velocidade do grupo (a velocidade que o pico de um pulso se move) é não apenas conectado à velocidade de todas as frequências que se sobrepõem para criar aquele pulso ”, explicou Robertson,“ mas sim à maneira pela qual um material ou um filtro muda a relação de fase entre esses componentes. Por meio da manipulação de fase apropriada (rephasing), a velocidade do grupo pode ser aumentada ou diminuída. ”

Para refazer os componentes espectrais, as ondas sonoras foram enviadas através um filtro de circuito assimétrico em um guia de ondas de tubo de PVC, com cerca de 8 m de comprimento. O loop de 0,65 metros divide as ondas sonoras em dois comprimentos de caminho desiguais, resultando em interferência destrutiva e ressonâncias de ondas estacionárias que, juntas, criaram quedas de transmissão em frequências regulares.

Devido à dispersão anômala (que altera a velocidade da onda), os pulsos de som que viajam pelo filtro de loop chegaram à saída mais cedo do que os pulsos que viajam direto pelo PVC. Com esse experimento, a velocidade do grupo pode realmente atingir um período de tempo infinitamente pequeno, embora os componentes espectrais individuais ainda viajem na velocidade do som.

“Também alcançamos o que é conhecido como ‘velocidade de grupo negativo’, uma situação em que o pico do pulso de saída sai do filtro antes que o pico do pulso de entrada alcance o início do filtro, “Explicou Robertson.” Usando a definição de velocidade como sendo igual à distância dividida pelo tempo, medimos um tempo negativo e, portanto, percebemos uma velocidade negativa. ”

Pode não parecer que uma velocidade negativa ultrapassaria o velocidade da luz, mas neste caso, disse Robertson, a velocidade do pulso é na verdade muito mais rápida do que c.

“Considere a velocidade do pulso em um caso um pouco menos dramático”, disse Robertson. “Digamos que o pico do pulso de saída saia do filtro exatamente no mesmo momento em que o pulso de entrada atinge o início. Nesse caso menos dramático, o tempo de trânsito é zero e a velocidade (distância dividida por zero) é infinita. Portanto, estávamos além do infinito! (‘Para o infinito e além’, para roubar uma linha de Toy Story.) Em nosso experimento, medimos um tempo de trânsito negativo correspondente a uma velocidade de grupo negativa de -52 m / s. ”

Embora tais resultados possam, à primeira vista, parecer violar a relatividade especial (lei de Einstein de que nenhum objeto material pode exceder a velocidade da luz), o significado real desses experimentos é um pouco diferente. Esses tipos de fenômenos superluminais, Robertson et al. explicam, não violam nem causalidade nem relatividade especial, nem permitem que a informação viaje mais rápido do que c. Na verdade, o trabalho teórico previu que a velocidade superluminal da velocidade do grupo das ondas sonoras deveria existir.

“A chave para entender este aparente paradoxo é que nenhuma energia das ondas excedeu a velocidade da luz”, disse Robertson . “Como estávamos passando o pulso por um filtro, o pulso acelerado era muito menor (em mais de um fator de 10) do que o pulso de entrada. Essencialmente, o pulso que passou pelo filtro era uma réplica exata (mas menor) do pulso de entrada. Esta réplica é esculpida na borda de ataque do pulso de entrada. Em todos os momentos, a energia líquida da onda que cruza a região do filtro foi igual ou menor que a energia que teria chegado se o pulso de entrada estivesse viajando em um tubo reto em vez de através do filtro. ”

Esse fenômeno é simplesmente o resultado de uma configuração inteligente ou pode realmente ocorrer no mundo real? De acordo com os cientistas, a interferência que ocorre no filtro de loop é diretamente análoga ao efeito “comb filtering” na acústica arquitetônica, onde a interferência do som ocorre entre o som diretamente de uma fonte e aquele refletido por uma superfície dura.

“O efeito acústico superluminal que descrevemos é provavelmente um fenômeno onipresente, mas imperceptível no mundo cotidiano”, concluem os cientistas.