Θα μπορούσε ο ήχος να κινηθεί με την ταχύτητα του φωτός

Πηγή: PhysicsWeb, 1 Νοεμβρίου 2005

Μπορούν τα ηχητικά κύματα να ταξιδέψουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός; Ναι, λέει ο Joel Mobley, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο του Μισισιπή στις ΗΠΑ. Σε προσομοιώσεις ο Mobley έχει δείξει ότι οι παλμοί των υπερήχων θα μπορούσαν να κινηθούν με ταχύτητες "υπερφωτινές" όταν αυτοί εισέλθουν σε νερό που περιέχει χιλιάδες μικροσκοπικές πλαστικές χάντρες.

Τα κύματα που κινούνται σε ένα μέσο διασποράς περιγράφονται από μια ταχύτητα φάσης και μια ταχύτητα ομάδας. Η ταχύτητα φάσης είναι η ταχύτητα με την οποία ένα κύμα ενός μοναδικού μήκους κύματος κινείται - και για τα ηχητικά κύματα στο νερό είναι περίπου 1,5 χιλιόμετρο το δευτερόλεπτο. Εντούτοις, οι παλμοί του φωτός ή του ήχου περιέχουν ένα εύρος μηκών κύματος που όλα κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Η ταχύτητα ομάδας είναι η ταχύτητα με την οποία ο ίδιος ο παλμός κινείται.

Τα τελευταία χρόνια, έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι η ταχύτητα ομάδας ενός παλμού λέιζερ μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός στο κενό -- 300.000.000 μέτρα ανά δευτερόλεπτο -- σε ορισμένες καταστάσεις. Εντούτοις, η ειδική σχετικότητα δεν παραβιάζεται σε αυτά τα πειράματα επειδή δεν περιλαμβάνουν τη μεταφορά των πληροφοριών, της ύλης ή της ενέργειας. 

Ένας υπερηχητικός παλμός διαβιβάζεται στο εναιώρημα και το σήμα συλλαμβάνεται από έναν δέκτη. Ο δέκτης έπειτα κινείται πιο βαθιά και η μέτρηση επαναλαμβάνεται. Η ταχύτητα μπορεί να βρεθεί από τη διαφορά στους χρόνους άφιξης της κορυφής (αιχμής), στα διαφορετικά βάθη

Ο Mobley έχει υπολογίσει τώρα ότι η ταχύτητα ομάδας ενός παλμού ηχητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας, θα μπορούσε να αυξηθεί κατά πέντε τάξεις μεγέθους αν σταλεί μέσω ενός μικρού θαλάμου που περιέχει περίπου 8 χιλιόλιτρα νερού και περίπου 400.000 μικροσκοπικές πλαστικές σφαίρες. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα ομάδας θα υπερέβαινε την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Οι σφαίρες έχουν διαμέτρους περίπου 0,1 χιλιοστά και αποτελούν περίπου το 5% του όγκου του μίγματος νερού-χάντρες.

Η αύξηση στην ταχύτητα προκαλείται από τη διασπορά -- το φαινόμενο που αναγκάζει τα διαφορετικά μήκη κύματος να κινηθεί με διαφορετικές ταχύτητες φάσης. Όταν ο παλμός εισέλθει στο μίγμα δοκιμάζει αρκετή διασπορά, η οποία αναγκάζει τα διαφορετικά μήκη κύματος, που αποτελούν τον παλμό, να ταξιδεύουν με πολύ διαφορετικές ταχύτητες. Αυτό αλλάζει τη μορφή του παλμού και μπορεί να τον οδηγήσει να κινείται γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Από την άλλη, η διασπορά μειώνει σημαντικά, επίσης, την ένταση των παλμών.

"Από καιρό έχει αναγνωριστεί ότι τέτοιες ταχύτητες πρέπει να είναι δυνατές στα ακουστικά κύματα", είπε ο Mobley. "Η εργασία μου δείχνει ότι μπορεί να γίνει σε ένα συγκεκριμένο και πολύ απλό σύστημα και ότι δεν είναι απαραίτητες οι ακραίες συνθήκες".

Ο Mobley προγραμματίζει τώρα πειράματα για να παρατηρήσει τις υπερφωτινές ταχύτητες στο Εθνικό Κέντρο για τη Φυσική Ακουστική στο Μισισιπή. Η κύρια πρόκληση θα είναι να αυξηθεί ο λόγος σήματος προς θόρυβο, έτσι ώστε να είναι δυνατό να ανιχνευθούν οι παλμοί, οι οποίοι έχουν μειωθεί κατά πολύ σε ένταση λόγω της διασποράς.