Oberflächen und Grenzflächen
Können Schallwellen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden? Ja, sagt Joel Mobley, Physiker an der Universität von Mississippi in den USA. In Simulationen hat Mobley gezeigt, dass sich Ultraschallimpulse mit „superluminaler“ Geschwindigkeit bewegen können, wenn sie in Wasser eintreten, das Tausende winziger Kunststoffperlen enthält.
Wellen, die sich in einem dispersiven Medium bewegen, werden durch eine Phasengeschwindigkeit und eine Gruppengeschwindigkeit beschrieben . Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Welle einer einzelnen Wellenlänge bewegt, und beträgt typischerweise etwa 1,5 Kilometer pro Sekunde für Schallwellen in Wasser. Licht- oder Schallimpulse enthalten jedoch tatsächlich einen Bereich von Wellenlängen, die sich alle mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen: Die Gruppengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Impuls selbst bewegt.
In den letzten Jahren wurde experimentell gezeigt, dass die Gruppengeschwindigkeit eines Laserpulses in bestimmten Situationen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – 300.000.000 Meter pro Sekunde – überschreiten kann. Die spezielle Relativitätstheorie wird in diesen Experimenten jedoch nicht verletzt, da sie keine Übertragung von Informationen, Materie oder Energie beinhaltet.
Mobley hat nun berechnet, dass die Gruppengeschwindigkeit eines Impulses hochfrequenter Schallwellen um fünf Größenordnungen erhöht werden kann, indem er durch eine kleine Kammer gesendet wird, die etwa 8 enthält Milliliter Wasser und rund 400.000 winzige Plastikkugeln. Dies bedeutet, dass die Gruppengeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten würde. Die Kugeln haben Durchmesser von etwa 0,1 mm und machen etwa 5% des Volumens der Wasserperlenmischung aus.
Die Erhöhung der Geschwindigkeit wird durch Dispersion verursacht – das Phänomen, bei dem sich unterschiedliche Wellenlängen mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten bewegen. Wenn der Impuls in das Gemisch eintritt, erfährt er eine starke Dispersion, wodurch sich die verschiedenen Wellenlängen, aus denen der Impuls besteht, mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Dies ändert die Form des Impulses und kann dazu führen, dass sich der Impuls selbst schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Dispersion verringert jedoch auch die Intensität der Impulse erheblich.
„Es ist seit langem bekannt, dass solche Geschwindigkeiten mit Schallwellen möglich sein sollten“, sagte Mobley gegenüber PhysicsWeb. „Meine Arbeit zeigt, dass dies in einem bestimmten und sehr einfachen System möglich ist und extreme Bedingungen nicht.“ notwendig.“
Mobley plant derzeit Experimente zur Beobachtung der Superluminalgeschwindigkeiten im Nationalen Zentrum für physikalische Akustik in Mississippi. Die Hauptherausforderung wird darin bestehen, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, damit es möglich ist, die Impulse zu erfassen, deren Intensität durch die Dispersion stark verringert wurde.