Oppervlakken en interfaces
Kunnen geluidsgolven sneller reizen dan het licht? Ja, zegt Joel Mobley, een natuurkundige aan de Universiteit van Mississippi in de VS. In simulaties heeft Mobley aangetoond dat ultrasone pulsen met “superluminale” snelheden kunnen bewegen wanneer ze in water komen dat duizenden kleine plastic kralen bevat.
Golven die in een verspreid medium bewegen, worden beschreven door een fasesnelheid en een groepssnelheid . De fasesnelheid is de snelheid waarmee een golf met een enkele golflengte beweegt, en is typisch ongeveer 1,5 kilometer per seconde voor geluidsgolven in water. Maar pulsen van licht of geluid bevatten in feite een reeks golflengten die allemaal met verschillende snelheden bewegen: de groepssnelheid is de snelheid waarmee de puls zelf beweegt.
In de afgelopen jaren is experimenteel aangetoond dat de groepssnelheid van een laserpuls in bepaalde situaties de lichtsnelheid in vacuüm – 300.000.000 meter per seconde – kan overschrijden. De speciale relativiteitstheorie wordt in deze experimenten echter niet geschonden omdat ze geen overdracht van informatie, materie of energie inhouden.
Mobley heeft nu berekend dat de groepssnelheid van een puls van hoogfrequente geluidsgolven met vijf ordes van grootte kan worden verhoogd door deze door een kleine kamer te sturen die ongeveer 8 milliliter water en zon 400.000 kleine plastic bolletjes. Dit betekent dat de groepssnelheid de lichtsnelheid in vacuüm zou overschrijden. De bollen hebben een diameter van ongeveer 0,1 mm en zijn goed voor ongeveer 5% van het volume van het water-parelmengsel.
De toename in snelheid wordt veroorzaakt door dispersie – het fenomeen dat ervoor zorgt dat verschillende golflengten met verschillende fasesnelheden bewegen. Wanneer de puls het mengsel binnengaat, ervaart deze een sterke dispersie, waardoor de verschillende golflengten waaruit de puls bestaat met zeer verschillende snelheden reizen. Dit verandert de vorm van de puls en kan ertoe leiden dat de puls zelf sneller beweegt dan de lichtsnelheid. De spreiding vermindert echter ook aanzienlijk de intensiteit van de pulsen.
“Het is al lang bekend dat dergelijke snelheden mogelijk zouden moeten zijn met akoestische golven,” vertelde Mobley aan PhysicsWeb. “Mijn werk laat zien dat het kan worden gedaan in een specifiek en zeer eenvoudig systeem en dat extreme omstandigheden dat niet zijn noodzakelijk.”
Mobley plant nu experimenten om de superluminale snelheden te observeren bij het National Center for Physical Acoustics in Mississippi. De belangrijkste uitdaging zal zijn om de signaal-ruisverhouding te vergroten, zodat het mogelijk is de pulsen te detecteren, die door de dispersie aanzienlijk in intensiteit zijn verminderd.