Suprafețe și interfețe
Pot undele sonore să călătorească mai repede decât viteza luminii? Da, spune Joel Mobley, fizician la Universitatea din Mississippi din SUA. În simulări, Mobley a arătat că impulsurile cu ultrasunete se pot deplasa la viteze „superluminale” atunci când intră în apă care conține mii de mici margele de plastic.
Undele care se mișcă într-un mediu dispersiv sunt descrise de o viteză de fază și o viteză de grup . Viteza de fază este viteza la care se mișcă o undă cu o singură lungime de undă și este de obicei de aproximativ 1,5 kilometri pe secundă pentru undele sonore din apă. Cu toate acestea, impulsurile de lumină sau sunet conțin de fapt o gamă de lungimi de undă care se deplasează cu viteze diferite: viteza grupului este viteza la care se mișcă pulsul în sine.
În ultimii ani, s-a demonstrat experimental că viteza de grup a unui impuls laser poate depăși viteza luminii în vid – 300.000.000 de metri pe secundă – în anumite situații. Cu toate acestea, relativitatea specială nu este încălcată în aceste experimente, deoarece acestea nu implică transferul de informații, materie sau energie.
Mobley a calculat acum că viteza de grup a unui impuls de unde sonore de înaltă frecvență ar putea fi mărită cu cinci ordine de mărime, trimițându-l printr-o cameră mică care conține aproximativ 8 mililitri de apă și aproximativ 400.000 de sfere mici de plastic. Aceasta înseamnă că viteza grupului ar depăși viteza luminii în vid. Sferele au diametre de aproximativ 0,1 mm și reprezintă aproximativ 5% din volumul amestecului de apă-mărgele.
Creșterea vitezei este cauzată de dispersie – fenomenul care determină mișcarea diferitelor lungimi de undă la viteze de fază diferite. Când pulsul intră în amestec, acesta are o dispersie severă, ceea ce face ca diferitele lungimi de undă care alcătuiesc pulsul să se deplaseze la viteze foarte diferite. Acest lucru schimbă forma pulsului și poate duce la mișcarea pulsului însuși mai rapid decât viteza luminii. Cu toate acestea, dispersia reduce, de asemenea, semnificativ intensitatea impulsurilor.
„S-a recunoscut mult timp că astfel de viteze ar trebui să fie posibile cu undele acustice”, a declarat Mobley pentru PhysicsWeb. „Lucrarea mea arată că se poate realiza într-un sistem specific și foarte simplu și că condițiile extreme nu sunt necesar.”
Mobley planifică acum experimente pentru a observa viteza superluminală la Centrul Național pentru Acustică Fizică din Mississippi. Principala provocare va fi creșterea raportului semnal-zgomot, astfel încât să fie posibil să se detecteze impulsurile, care vor fi reduse foarte mult ca intensitate prin dispersie.