Początki tego niezwykłego odkrycia tkwią w głębinach oceanów i badaniach nad komunikacją wielorybów. Naukowcy, próbując namierzyć te majestatyczne stworzenia, wykorzystują sieć hydrofonów – specjalnych mikrofonów podwodnych. Analiza czasów dotarcia sygnału do różnych odbiorników pozwala na precyzyjną triangulację pozycji źródła dźwięku. Jednak w pewnych warunkach, jak zauważyli John L. Spiesberger z University of Pennsylvania i Eugene Terray z Woods Hole Oceanographic Institution, metoda ta prowadziła do znaczących błędów.
W artykule z 2025 roku Spiesberger wraz z zespołem wyjaśnili to zjawisko. Jeśli wieloryb znajdował się wystarczająco blisko powierzchni wody, część emitowanego przez niego dźwięku docierała do hydrofonu bezpośrednio, podczas gdy inna część odbijała się od spodu powierzchni. Kiedy te dwie fale nakładały się na siebie (interferowały), ich interakcja mogła przesunąć szczyt otrzymanej fali, sprawiając, że wydawała się ona docierać później. Innymi słowy, jej efektywna prędkość wydawała się niższa niż prędkość fali biegnącej bezpośrednio.
Czytaj także: Fizycy kontrolują światło, jak nigdy dotąd. To ujawniło nieznaną właściwość
Fala szybsza niż dźwięk
Początkowe prace pokazały, że interferencja fal może sprawić, iż dźwięk będzie się poruszał pozornie wolniej. Jednak gdy Spiesberger zaczął analizować inne, bardziej realistyczne kształty impulsów, dostrzegł coś absolutnie niezwykłego: w odpowiednich warunkach efekt ten działał w przeciwnym kierunku! Okazuje się, że jeśli fala biegnąca bezpośrednio i fala odbita od płaskiej powierzchni zostaną odpowiednio zsynchronizowane, ich interferencja może przeformować połączony impuls w taki sposób, że jego szczyt dotrze do odbiornika wcześniej niż szczyt samej fali bezpośredniej.
Aby zilustrować to zjawisko, badacze przeprowadzili symulację, w której dźwięk poruszał się pod wodą z prędkością 1500 m/s. Wyniki były zdumiewające: pozorne szczyty energii mogły pojawić się w symulacji z prędkością odpowiednio 1694,5 m/s, a nawet 2782,5 m/s! Ta ostatnia wartość jest blisko dwukrotnie wyższa od standardowej prędkości dźwięku w przyjętej symulacji.
Czy fizyka naprawdę się nie złości?
To, co czyni to odkrycie naprawdę przełomowym, to fakt, że fenomen ten może nie ograniczać się jedynie do fal dźwiękowych. Spiesberger i Terray sugerują, że powinien on działać również w przypadku fal elektromagnetycznych, czyli światła, i to nawet w próżni. „Nasza hipoteza, że efekt bezpośredniej i odbitej ścieżki istnieje dla fal elektromagnetycznych, dostarcza mechanizmu dla propagacji nadświetlnej, odrębnego od tunelowania mikrofalowego, tunelowania kwantowego i anomalnej dyspersji” – piszą naukowcy.
Co najważniejsze, ten efekt, mimo iż prowadzi do pozornych prędkości nadświetlnych, nie narusza szczególnej teorii względności. Klucz tkwi w rozróżnieniu między szczytem energii fali a prędkością przenoszonej przez nią informacji. Jak podkreślają badacze, „dowodzimy, że prędkość informacji jest mniejsza lub równa prędkości światła w próżni, więc efekt nie narusza szczególnej teorii względności”.
Informacja kontra szczyt energii: Gdzie leży granica?
Zgodnie z zasadami fizyki, informacja nie może przekroczyć prędkości światła w próżni. Aby to zbadać, naukowcy stworzyli model transmisji dwóch różnych sygnałów, reprezentowanych przez wartości 1 i 0. Do pewnego momentu sygnały były identyczne, a następnie źródło przełączało się na 1 lub 0, które propagowało się do odbiornika zarówno drogą bezpośrednią, jak i odbitą. Punkt, w którym odbiornik był w stanie wiarygodnie rozróżnić sygnał (1 lub 0), oznaczał moment dotarcia nowej informacji.
Wyniki jasno pokazały, że informacja nie mogła podróżować szybciej niż fala niosąca ją drogą bezpośrednią. Interferencja, choć potrafiła przesunąć szczyt energii fali do przodu, nie była w stanie stworzyć informacji w odbiorniku, zanim ta informacja dotarła tam „tradycyjną” drogą. Co ciekawe jednak, mimo że interferencja nie przekroczyła granicy prędkości dla informacji, nadała jej „małe przyspieszenie”. Powód tego zjawiska wciąż pozostaje przedmiotem dalszych badań.
W kierunku eksperymentalnego potwierdzenia
Dalsze kroki w tym fascynującym projekcie to przede wszystkim eksperymentalne potwierdzenie tych teoretycznych przewidywań, zarówno dla dźwięku, jak i światła. „Gdyby efekt bezpośredniej i odbitej ścieżki wystąpił dla fal elektromagnetycznych i dawał prędkości nadświetlne, byłaby to najprostsza metoda ich osiągnięcia spośród innych zjawisk nadświetlnych” – piszą Spiesberger i Terray.
Naukowcy zastanawiają się również, czy klasyczne efekty fizyczne, takie jak ten, znajdują swoje odbicie w mechanice kwantowej, sugerując możliwość istnienia analogii w świecie kwantowym. Badania te, które ukażą się w prestiżowym czasopiśmie Physical Review E, to ekscytujący krok w kierunku głębszego zrozumienia granic i możliwości Wszechświata, dając nam wgląd w to, co wydawało się niemożliwe, a okazuje się być jedynie sprytną grą fal.
