För första gången har forskare experimentellt visat att ljudpulser kan färdas med hastigheter snabbare än ljusets hastighet, c. William Robertsons team från Middle Tennessee State University visade också att grupphastigheten för ljudvågor kan bli oändlig och till och med negativ.

Tidigare experiment har visat att grupphastigheterna för andra materialkomponenter – såsom optiska, mikrovågsugn och elektriska pulser – kan överstiga ljusets hastighet. Men medan de enskilda spektralkomponenterna i dessa pulser har hastigheter mycket nära c, är komponenterna i ljudvågorna nästan sex storleksordningar långsammare än ljuset (jämför 340 m / s till 300 000 000 m / s).

”Allt intresse för snabb (och långsam) våghastighet för alla typer av vågor (optisk, elektrisk och akustisk) var initialt att få en grundläggande förståelse för egenskaperna hos vågutbredning,” berättade Robertson för PhysOrg.com. ”Fasmanipulation kan ändra fasförhållandet mellan dessa materialkomponenter. Att använda ljud för att skapa en grupphastighet som överstiger ljusets hastighet är betydelsefullt här eftersom det dramatiskt illustrerar denna punkt på grund av den stora skillnaden mellan ljudets och ljusets hastigheter. ”

Experimentet genomfördes av två undergrads, en gymnasielärare och två gymnasieelever, som fick bidrag från ett NSF STEP-stipendium (Science, technology, engineering, math Talent Enhancement Program). Bidraget syftar till att öka rekryteringen och kvarhållandet av studenter till dessa ämnen.

I sitt experiment uppnådde forskarna superluminal ljudhastighet genom att omformulera de spektrala komponenterna i ljudpulserna, som senare rekombineras för att bilda en identisk utseende en del av pulsen mycket längre längs pulsen. Så det är inte de verkliga ljudvågorna som överstiger c, utan vågarnas ”grupphastighet” eller ”längden på samplet dividerat med den tid det tar för en puls att passera samplet.”

”Ljudet snabbare än ljuset kommer inte att bli en överraskning för de människor som arbetar nära detta område eftersom de känner igen att grupphastigheten (hastigheten som en puls topp rör sig) är inte bara kopplat till hastigheten på alla frekvenser som överlag för att skapa den pulsen, ”förklarade Robertson,” utan snarare till det sätt på vilket ett material eller ett filter ändrar fasförhållandet mellan dessa komponenter. Genom lämplig fasmanipulation (omfasning) kan grupphastigheten ökas eller minskas. ”

För att omforma spektralkomponenterna skickades ljudvågorna genom ett asymmetriskt loopfilter på en vågledare av PVC-rör, cirka 8 m långt. 0,65 meter slingan delade ljudvågorna i två ojämna banlängder, vilket resulterade i destruktiv störning och stående vågresonanser som tillsammans skapade överföringsdoppar vid vanliga frekvenser.

På grund av avvikande spridning (som ändrar våghastigheten) anlände ljudpulser som går genom slingfiltret tidigare vid utgången än pulser som rör sig rakt igenom PVC. Med detta experiment kunde grupphastigheten faktiskt nå en oändlig liten tid, även om de enskilda spektralkomponenterna fortfarande rör sig med ljudets hastighet.

”Vi uppnådde också det som kallas en” negativ grupphastighet ”, en situation där utgångspulsens topp går ut ur filtret innan toppen av ingångspulsen har nått början av filtret, ”Förklarade Robertson.” Genom att använda definitionen för hastighet som lika med avståndet dividerat med tiden, mätte vi en negativ tid och sålunda insåg en negativ hastighet. ”

Det verkar inte som om en negativ hastighet skulle överstiga ljusets hastighet, men i det här fallet, sade Robertson, är pulshastigheten faktiskt mycket snabbare än c.

”Tänk på pulshastigheten i ett lite mindre dramatiskt fall,” sa Robertson. ”Säg att utgångspulsens topp kommer ut ur filtret exakt samtidigt som ingångspulsen når början. I detta mindre dramatiska fall är transittiden noll och hastigheten (avståndet dividerat med noll) är oändlig. Så vi var bortom oändliga! (’Till oändligheten och bortom’ för att stjäla en linje från Toy Story.) I vårt experiment mätte vi en negativ transittid motsvarande en negativ grupphastighet på -52 m / s. ”

Även om sådana resultat till en början kan tyckas strida mot särskild relativitet (Einsteins lag att inget materiellt objekt kan överskrida ljusets hastighet), är den faktiska betydelsen av dessa experiment lite annorlunda. Dessa typer av superluminala fenomen, Robertson et al. förklara, kränka varken kausalitet eller särskild relativitet, och de gör inte heller information att resa snabbare än c. I själva verket hade teoretiskt arbete förutsagt att superluminalhastigheten för ljudhastighets grupphastighet skulle existera.

”Nyckeln till att förstå denna till synes paradox är att ingen vågsenergi översteg ljusets hastighet”, säger Robertson . ”Eftersom vi passerade pulsen genom ett filter var den snabba pulsen mycket mindre (med mer än en faktor 10) än ingångspulsen. I huvudsak var pulsen som kom igenom filtret en exakt (men mindre) replik av ingångspulsen. Denna replik är huggen från framkanten av ingångspulsen. Vid alla tidpunkter var nettonergin för vågen som passerar filterområdet lika med eller mindre än den energi som skulle ha kommit om ingångspulsen hade färdats i ett rakt rör istället för genom filtret. ”

Är detta fenomen helt enkelt resultatet av en smart inställning, eller kan det faktiskt inträffa i den verkliga världen? Enligt forskarna är störningarna i loopfiltret direkt analoga med ”kamfiltreringseffekten” i arkitektonisk akustik, där ljudinterferens uppstår mellan ljud direkt från en källa och det som reflekteras av en hård yta.

”Den superluminala akustiska effekten vi har beskrivit är sannolikt ett allestädes närvarande men omärkligt fenomen i vardagen”, avslutar forskarna.