Powierzchnie i interfejsy
Czy fale dźwiękowe mogą przemieszczać się szybciej niż prędkość światła? Tak, mówi Joel Mobley, fizyk z University of Mississippi w USA. W symulacjach Mobley wykazał, że impulsy ultradźwiękowe mogą poruszać się z prędkością „ponadświetlną”, gdy dostają się do wody zawierającej tysiące malutkich plastikowych koralików.
Fale poruszające się w ośrodku dyspersyjnym są opisywane za pomocą prędkości fazowej i prędkości grupowej . Prędkość fazowa to prędkość, z jaką porusza się fala o pojedynczej długości fali i wynosi zazwyczaj około 1,5 km na sekundę dla fal dźwiękowych w wodzie. Jednak impulsy światła lub dźwięku w rzeczywistości obejmują zakres długości fal, z których wszystkie poruszają się z różnymi prędkościami: prędkość grupowa to prędkość, z jaką porusza się sam impuls.
W ostatnich latach eksperymentalnie wykazano, że prędkość grupowa impulsu laserowego może w pewnych sytuacjach przekraczać prędkość światła w próżni – 300 000 000 metrów na sekundę. Jednak eksperymenty te nie naruszają szczególnej teorii względności, ponieważ nie obejmują one przekazywania informacji, materii ani energii.
Mobley obliczył teraz, że prędkość grupowa impulsu fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości może zostać zwiększona o pięć rzędów wielkości poprzez wysłanie go przez małą komorę zawierającą około 8 mililitrów wody i około 400 000 malutkich plastikowych kulek. Oznacza to, że prędkość grupowa przekroczyłaby prędkość światła w próżni. Kulki mają średnice około 0,1 mm i stanowią około 5% objętości mieszaniny perełek wodnych.
Wzrost prędkości jest spowodowany dyspersją – zjawiskiem, które powoduje, że różne długości fal poruszają się z różnymi prędkościami fazowymi. Gdy impuls wchodzi do mieszaniny, ulega silnej dyspersji, co powoduje, że różne długości fal składających się na impuls poruszają się z bardzo różnymi prędkościami. Zmienia to kształt impulsu i może powodować, że sam impuls porusza się szybciej niż prędkość światła. Jednak dyspersja również znacznie zmniejsza intensywność impulsów.
„Od dawna uznano, że takie prędkości powinny być możliwe w przypadku fal akustycznych” – powiedział Mobley PhysicsWeb. „Moja praca pokazuje, że można to zrobić w określonym i bardzo prostym systemie, a ekstremalne warunki nie są niezbędny.”
Mobley planuje teraz eksperymenty w celu obserwacji prędkości nadświetlnych w National Center for Physical Acoustics w Mississippi. Głównym wyzwaniem będzie zwiększenie stosunku sygnału do szumu, aby można było wykryć impulsy, których intensywność została znacznie zmniejszona przez dyspersję.