Overflader og grænseflader
Kan lydbølger bevæge sig hurtigere end lysets hastighed? Ja, siger Joel Mobley, en fysiker ved University of Mississippi i USA. I simuleringer har Mobley vist, at ultralydimpulser kunne bevæge sig ved “superluminale” hastigheder, når de kommer ind i vand, der indeholder tusindvis af små plastikperler.
Bølger, der bevæger sig i et dispersivt medium, beskrives ved en fasehastighed og en gruppehastighed . Fasehastigheden er den hastighed, hvormed en bølge med en enkelt bølgelængde bevæger sig, og er typisk ca. 1,5 kilometer i sekundet for lydbølger i vand. Imidlertid indeholder pulser af lys eller lyd faktisk en række bølgelængder, som alle bevæger sig med forskellige hastigheder: gruppehastigheden er den hastighed, hvormed selve pulsen bevæger sig.
I de senere år har det vist sig eksperimentelt, at en laserpulses gruppehastighed kan overstige lysets hastighed i vakuum – 300.000.000 meter pr. sekund – i visse situationer. Speciel relativitet er dog ikke krænket i disse eksperimenter, fordi de ikke involverer overførsel af information, stof eller energi.
Mobley har nu beregnet, at gruppehastigheden for en puls af højfrekvente lydbølger kunne øges med fem størrelsesordener ved at sende den gennem et lille kammer, der indeholder ca. 8 milliliter vand og omkring 400.000 små plastkugler. Dette betyder, at gruppehastigheden ville overstige lysets hastighed i vakuum. Kuglerne har diametre på ca. 0,1 mm og tegner sig for ca. 5% af volumenet af vand-perle-blandingen.
Stigningen i hastighed er forårsaget af spredning – fænomenet, der får forskellige bølgelængder til at bevæge sig ved forskellige fashastigheder. Når pulsen kommer ind i blandingen, oplever den alvorlig spredning, hvilket får de forskellige bølgelængder, der udgør pulsen, til at bevæge sig med meget forskellige hastigheder. Dette ændrer pulsen og kan resultere i, at selve pulsen bevæger sig hurtigere end lysets hastighed. Imidlertid reducerer dispersionen også impulsenes intensitet signifikant.
“Det har længe været anerkendt, at sådanne hastigheder skulle være mulige med akustiske bølger,” fortalte Mobley til PhysicsWeb. “Mit arbejde viser, at det kan gøres i et specifikt og meget simpelt system, og at ekstreme forhold ikke er nødvendig.”
Mobley planlægger nu eksperimenter for at observere superluminale hastigheder ved National Center for Physical Acoustics i Mississippi. Den største udfordring vil være at øge signal-støj-forholdet, så det er muligt at detektere impulser, som er stærkt reduceret i intensitet af dispersionen.