Superfici e interfacce
Le onde sonore possono viaggiare più velocemente della velocità della luce? Sì, dice Joel Mobley, un fisico dellUniversità del Mississippi negli Stati Uniti. Nelle simulazioni Mobley ha dimostrato che gli impulsi a ultrasuoni possono muoversi a velocità “superluminali” quando entrano nellacqua che contiene migliaia di minuscole sfere di plastica.
Le onde che si muovono in un mezzo dispersivo sono descritte da una velocità di fase e da una velocità di gruppo . La velocità di fase è la velocità alla quale si muove unonda di una singola lunghezza donda ed è tipicamente di circa 1,5 chilometri al secondo per le onde sonore nellacqua. Tuttavia, gli impulsi di luce o di suono contengono effettivamente una gamma di lunghezze donda che si muovono tutte a velocità diverse: la velocità del gruppo è la velocità alla quale si muove limpulso stesso.
Negli ultimi anni, è stato dimostrato sperimentalmente che la velocità di gruppo di un impulso laser può superare la velocità della luce nel vuoto – 300.000.000 metri al secondo – in determinate situazioni. Tuttavia, la relatività speciale non è violata in questi esperimenti perché non implicano il trasferimento di informazioni, materia o energia.
Mobley ha ora calcolato che la velocità di gruppo di un impulso di onde sonore ad alta frequenza potrebbe essere aumentata di cinque ordini di grandezza inviandola attraverso una piccola camera che ne contiene circa 8 millilitri di acqua e circa 400.000 minuscole sfere di plastica. Ciò significa che la velocità del gruppo supererebbe la velocità della luce nel vuoto. Le sfere hanno diametri di circa 0,1 mm e rappresentano circa il 5% del volume della miscela di perle dacqua.
Laumento della velocità è causato dalla dispersione, il fenomeno che causa il movimento di lunghezze donda diverse a velocità di fase diverse. Quando limpulso entra nella miscela subisce una grave dispersione, che fa sì che le diverse lunghezze donda che compongono limpulso viaggino a velocità molto diverse. Ciò cambia la forma dellimpulso e può far sì che limpulso stesso si muova più velocemente della velocità della luce. Tuttavia, la dispersione riduce anche significativamente lintensità degli impulsi.
“È stato a lungo riconosciuto che tali velocità dovrebbero essere possibili con le onde acustiche”, ha detto Mobley a PhysicsWeb. “Il mio lavoro mostra che può essere fatto in un sistema specifico e molto semplice e che le condizioni estreme non lo sono necessario.”
Mobley sta ora progettando esperimenti per osservare le velocità superluminali presso il National Center for Physical Acoustics in Mississippi. La sfida principale sarà aumentare il rapporto segnale-rumore in modo che sia possibile rilevare gli impulsi, che saranno stati notevolmente ridotti di intensità dalla dispersione.