Povrchy a rozhraní
Mohou zvukové vlny cestovat rychleji než rychlost světla? Ano, říká Joel Mobley, fyzik na univerzitě v Mississippi v USA. V simulacích Mobley ukázal, že ultrazvukové pulsy se mohou pohybovat „superluminálními“ rychlostmi, když vstupují do vody, která obsahuje tisíce drobných plastových kuliček.
Vlny pohybující se v disperzním médiu jsou popsány fázovou rychlostí a skupinovou rychlostí . Fázová rychlost je rychlost, při které se pohybuje vlna jedné vlnové délky, a pro zvukové vlny ve vodě je obvykle asi 1,5 kilometru za sekundu. Avšak světelné nebo zvukové impulsy ve skutečnosti obsahují řadu vlnových délek, které se všechny pohybují různými rychlostmi: skupinová rychlost je rychlost, při které se pohybuje samotný puls.
V posledních letech se experimentálně ukázalo, že skupinová rychlost laserového pulzu může v určitých situacích překročit rychlost světla ve vakuu – 300 000 000 metrů za sekundu. V těchto experimentech však není porušena speciální relativita, protože nezahrnují přenos informací, hmoty ani energie.
Mobley nyní vypočítal, že rychlost skupiny pulzu vysokofrekvenčních zvukových vln by mohla být zvýšena o pět řádů odesláním skrz malou komoru, která obsahuje asi 8 mililitry vody a asi 400 000 drobných plastových koulí. To znamená, že rychlost skupiny by překročila rychlost světla ve vakuu. Koule mají průměr asi 0,1 mm a tvoří asi 5% objemu směsi vodních perlí.
Zvýšení rychlosti je způsobeno rozptylem – jevem, který způsobuje pohyb různých vlnových délek při různých fázových rychlostech. Když puls vstoupí do směsi, dojde k jeho silné disperzi, což způsobí, že různé vlnové délky, které tvoří puls, cestují velmi odlišnými rychlostmi. To mění tvar pulsu a může mít za následek, že se puls sám bude pohybovat rychleji než rychlost světla. Disperze však také významně snižuje intenzitu pulzů.
„Již dlouho se uznává, že takové rychlosti by měly být možné s akustickými vlnami,“ řekl Mobley pro PhysicsWeb. „Moje práce ukazuje, že to lze provést ve specifickém a velmi jednoduchém systému a že extrémní podmínky nejsou nutné. “
Mobley nyní plánuje experimenty s pozorováním superluminálních rychlostí v Národním centru pro fyzickou akustiku v Mississippi. Hlavním úkolem bude zvýšit poměr signálu k šumu tak, aby bylo možné detekovat pulsy, jejichž intenzita bude disperzí výrazně snížena.