Ytor och gränssnitt
Kan ljudvågor färdas snabbare än ljusets hastighet? Ja, säger Joel Mobley, en fysiker vid University of Mississippi i USA. I simuleringar har Mobley visat att ultraljudspulser kan röra sig i ”superluminala” hastigheter när de kommer in i vatten som innehåller tusentals små plastpärlor.
Vågor som rör sig i ett dispersivt medium beskrivs med en fashastighet och en grupphastighet . Fashastigheten är den hastighet med vilken en våg med en enda våglängd rör sig och är typiskt cirka 1,5 kilometer per sekund för ljudvågor i vatten. Men pulser av ljus eller ljud innehåller faktiskt ett våglängdsområde som alla rör sig med olika hastigheter: grupphastigheten är den hastighet med vilken själva pulsen rör sig.
Under senare år har det visats experimentellt att grupphastigheten för en laserpuls kan överstiga ljusets hastighet i vakuum – 300 000 000 meter per sekund – i vissa situationer. Emellertid kränks inte speciell relativitet i dessa experiment eftersom de inte involverar överföring av information, materia eller energi.
Mobley har nu beräknat att grupphastigheten för en puls av högfrekventa ljudvågor kan ökas med fem storleksordningar genom att skicka den genom en liten kammare som innehåller cirka 8 milliliter vatten och cirka 400 000 små plastsfärer. Detta innebär att grupphastigheten skulle överstiga ljusets hastighet i vakuum. Sfärerna har diametrar på cirka 0,1 mm och står för cirka 5% av volymen av vatten-pärlblandningen.
Ökningen i hastighet orsakas av dispersion – fenomenet som får olika våglängder att röra sig vid olika fashastigheter. När pulsen kommer in i blandningen upplever den allvarlig spridning, vilket gör att de olika våglängderna som utgör pulsen rör sig i mycket olika hastigheter. Detta ändrar pulsens form och kan leda till att själva pulsen rör sig snabbare än ljusets hastighet. Emellertid minskar dispersionen också signifikant intensiteten hos pulserna.
”Det har länge erkänts att sådana hastigheter bör vara möjliga med akustiska vågor,” sa Mobley till PhysicsWeb. ”Mitt arbete visar att det kan göras i ett specifikt och mycket enkelt system och att extrema förhållanden inte är nödvändig.”
Mobley planerar nu experiment för att observera superluminalhastigheter vid National Center for Physical Acoustics i Mississippi. Den huvudsakliga utmaningen kommer att vara att öka signal-brusförhållandet så att det är möjligt att detektera pulserna, vilka kommer att ha minskat kraftigt i intensitet av dispersionen. >