Overflater og grensesnitt
Kan lydbølger bevege seg raskere enn lysets hastighet? Ja, sier Joel Mobley, fysiker ved University of Mississippi i USA. I simuleringer har Mobley vist at ultralydpulser kan bevege seg i «superluminale» hastigheter når de kommer inn i vann som inneholder tusenvis av små plastperler.
Bølger som beveger seg i et dispersivt medium er beskrevet av en fasehastighet og en gruppehastighet . Fasehastigheten er hastigheten som en bølge med en enkelt bølgelengde beveger seg på, og er vanligvis omtrent 1,5 kilometer per sekund for lydbølger i vann. Imidlertid inneholder pulser av lys eller lyd faktisk en rekke bølgelengder som alle beveger seg i forskjellige hastigheter: gruppehastigheten er hastigheten som selve pulsen beveger seg på.
De siste årene har det blitt vist eksperimentelt at gruppehastigheten til en laserpuls kan overstige lysets hastighet i vakuum – 300.000.000 meter per sekund – i visse situasjoner. Spesiell relativitet er imidlertid ikke krenket i disse eksperimentene fordi de ikke involverer overføring av informasjon, materie eller energi.
Mobley har nå beregnet at gruppehastigheten til en puls av høyfrekvente lydbølger kan økes med fem størrelsesordener ved å sende den gjennom et lite kammer som inneholder omtrent 8 milliliter vann og rundt 400 000 små plastkuler. Dette betyr at gruppehastigheten vil overstige lysets hastighet i vakuum. Kulene har en diameter på ca. 0,1 mm og utgjør ca. 5% av volumet av vann-perle-blandingen.
Økningen i hastighet er forårsaket av spredning – fenomenet som får forskjellige bølgelengder til å bevege seg med forskjellige fasehastigheter. Når pulsen kommer inn i blandingen, opplever den alvorlig spredning, noe som får de forskjellige bølgelengdene som utgjør pulsen til å bevege seg i svært forskjellige hastigheter. Dette endrer pulsen og kan føre til at pulsen i seg selv beveger seg raskere enn lysets hastighet. Imidlertid reduserer dispersjonen også intensiteten til pulsen betydelig.
«Det har lenge vært anerkjent at slike hastigheter skal være mulig med akustiske bølger,» sa Mobley til PhysicsWeb. «Mitt arbeid viser at det kan gjøres i et spesifikt og veldig enkelt system, og at ekstreme forhold ikke er nødvendig.»
Mobley planlegger nå eksperimenter for å observere superluminale hastigheter ved National Center for Physical Acoustics i Mississippi. Hovedutfordringen vil være å øke signal / støy-forholdet slik at det er mulig å oppdage pulser, som vil ha blitt kraftig redusert i intensitet av dispersjonen.