Pentru prima dată, oamenii de știință au demonstrat experimental că impulsurile sonore pot călători cu viteze mai mari decât viteza luminii, c. Echipa lui William Robertson de la Universitatea de Stat din Middle Tennessee a arătat, de asemenea, că viteza de grup a undelor sonore poate deveni infinită și chiar negativă.

Experimentele anterioare au demonstrat că vitezele de grup ale componentelor altor materiale – cum ar fi impulsurile optice, cu microunde și electrice – pot depăși viteza luminii. Dar, în timp ce componentele spectrale individuale ale acestor impulsuri au viteze foarte apropiate de c, componentele undelor sonore sunt cu aproape șase ordine de mărime mai lente decât lumina (comparați 340 m / s cu 300.000.000 m / s).

„Tot interesul pentru viteza de undă rapidă (și lentă) pentru toate tipurile de unde (optice, electrice și acustice) a fost inițial să dobândească o înțelegere fundamentală a caracteristicilor de propagare a undelor”, a declarat Robertson pentru PhysOrg.com. ” poate schimba relația de fază dintre componentele acestor materiale. Folosirea sunetului pentru a crea o viteză de grup care depășește viteza luminii este semnificativă aici, deoarece ilustrează dramatic acest punct, datorită diferenței mari dintre viteza sunetului și a luminii. ”

Experimentul a fost realizat de doi studenți, un profesor de liceu de zonă și doi elevi de liceu, care au primit finanțare printr-un grant NSF STEP (Știință, tehnologie, inginerie, matematică Talent Enhancement Program). Grantul își propune să crească recrutarea și reținerea studenților la acești subiecți.

În experimentul lor, cercetătorii au atins viteza sunetului superluminal prin refazarea componentelor spectrale ale impulsurilor sonore, care ulterior se recombină pentru a forma un aspect identic o parte a pulsului mult mai departe în interiorul pulsului. Deci, nu undele sonore reale depășesc c, ci „viteza de grup” a undelor sau „lungimea eșantionului împărțită la timpul necesar pentru ca vârful unui impuls să traverseze eșantionul”.

„Rezultatul sunetului mai rapid decât lumina nu va fi o surpriză pentru cei care lucrează îndeaproape în această zonă deoarece recunosc că viteza grupului (viteza pe care se mișcă vârful unui impuls) este nu doar conectat la viteza tuturor frecvențelor care se suprapun pentru a crea acel impuls „, a explicat Robertson,” ci mai degrabă la modul în care un material sau un filtru schimbă relația de fază dintre aceste componente. Prin manipularea adecvată a fazelor (refazare) viteza grupului poate fi mărită sau scăzută. ”

Pentru a refaza componentele spectrale, undele sonore au fost trimise prin un filtru de buclă asimetric pe un ghid de undă al țevii din PVC, lung de aproximativ 8 m. Bucla de 0,65 metri împarte undele sonore în două lungimi de cale inegale, rezultând interferențe distructive și rezonanțe ale undelor staționare care împreună au creat scufundări de transmisie la frecvențe regulate.

Datorită dispersiei anormale (care modifică viteza de undă), impulsurile de sunet care trec prin filtrul buclei au ajuns la ieșire mai repede decât impulsurile care călătoresc direct prin PVC. Cu acest experiment, viteza grupului ar putea atinge de fapt o cantitate infinit de mică, deși componentele spectrale individuale călătoresc încă la viteza sunetului.

„Am obținut, de asemenea, ceea ce este cunoscut sub numele de„ viteză de grup negativă ”, situație în care vârful impulsului de ieșire iese din filtru înainte ca vârful impulsului de intrare să atingă începutul filtrului, ”A explicat Robertson.„ Folosind definiția vitezei ca fiind egală cu distanța împărțită la timp, am măsurat un timp negativ și astfel am realizat o viteză negativă. ”

S-ar putea să nu pară că o viteză negativă ar depăși viteza luminii, dar în acest caz, a spus Robertson, viteza pulsului este de fapt mult mai rapidă decât c.

„Luați în considerare viteza pulsului într-un caz puțin mai puțin dramatic”, a spus Robertson. „Spuneți că vârful impulsului de ieșire iese din filtru exact în același timp în care pulsul de intrare ajunge la început. În acest caz mai puțin dramatic, timpul de tranzit este zero, iar viteza (distanța împărțită la zero) este infinită. Deci am fost dincolo de infinit! („Până la infinit și dincolo”, pentru a fura o linie din Toy Story.) În experimentul nostru, am măsurat un timp de tranzit negativ corespunzător unei viteze de grup negative de -52 m / s. ”

Deși astfel de rezultate pot părea la început să încalce relativitatea specială (legea lui Einstein că niciun obiect material poate depăși viteza luminii), semnificația reală a acestor experimente este puțin diferită. Aceste tipuri de fenomene superluminale, Robertson și colab. explică, nu încalcă nici cauzalitatea, nici relativitatea specială și nici nu permit informațiilor să călătorească mai repede decât c. De fapt, lucrările teoretice au prezis că viteza superluminală a vitezei de grup a undelor sonore ar trebui să existe.

„Cheia înțelegerii acestui paradox aparent este că nicio energie de undă nu a depășit viteza luminii”, a spus Robertson „Deoarece treceam pulsul printr-un filtru, impulsul accelerat era mult mai mic (cu mai mult de un factor de 10) decât impulsul de intrare. În esență, pulsul care a trecut prin filtru a fost o replică exactă (dar mai mică) a impulsului de intrare. Această replică este sculptată de la marginea anterioară a impulsului de intrare. În orice moment, energia netă a undei care traversează regiunea filtrului a fost egală sau mai mică decât energia care ar fi ajuns dacă impulsul de intrare ar fi călătorit într-o conductă dreaptă în loc să treacă prin filtru. ”

Este acest fenomen pur și simplu rezultatul unei configurări inteligente sau poate să apară de fapt în lumea reală? Potrivit oamenilor de știință, interferența care apare în filtrul buclei este direct analogă cu efectul de „filtrare pieptene” în acustica arhitecturală, unde interferența sunetului apare între sunetul direct de la o sursă și cel reflectat de o suprafață dură.

„Efectul acustic superluminal pe care l-am descris este probabil un fenomen omniprezent, dar imperceptibil în lumea de zi cu zi”, concluzionează oamenii de știință.