Z czasem okazało się, że program wykorzystany na potrzeby pomiarów działał prawidłowo. Później uczeni zorientowali się, że sprawcą całego zamieszania jest zjawisko związane z interferencją fal i szczególnym przypadkiem teorii względności. Teraz John Spiesberger z University of Pennsylvania i jego współpracownicy wyjaśniają, co dokładnie dzieje się pod powierzchnią oceanu. Artykuł na ten temat ukazał się w Physical Review E.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
Do lokalizowania wielorybów za pomocą ich głosów stosuje się hydrofony rozmieszczone na dnie oceanu. Dźwięki wydawane przez te zwierzęta mogą pokonywać pod wodą ogromne odległości, a porównanie czasu, w którym sygnał dociera do różnych odbiorników, pozwala określić położenie zwierzęcia. W przypadku płetwali pojedynczy hydrofon może wykryć ich odgłosy nawet z odległości około 100 kilometrów.
Problem pojawia się wtedy, gdy wieloryb znajduje się stosunkowo blisko powierzchni oceanu. Dźwięk nie dociera wówczas do hydrofonu tylko jedną drogą. Część fali biegnie bezpośrednio do urządzenia, podczas gdy inna część odbija się wcześniej od powierzchni wody i dociera z niewielkim opóźnieniem. Oba sygnały nakładają się na siebie. W zależności od ich wzajemnej fazy mogą się wzmacniać albo osłabiać. Co bardziej niezwykłe, interferencja może przesunąć położenie najsilniejszego fragmentu sygnału tak, że urządzenie rejestruje go wcześniej, niż wynikałoby to z normalnej prędkości rozchodzenia się dźwięku.
Właśnie dlatego obliczenia sugerowały, iż dźwięk porusza się szybciej niż pozwalają na to prawa fizyki. Nie przyspiesza jednak sama fala przenosząca informację. Zmienia się jedynie położenie jej najsilniejszego maksimum. Taka interferencja czasowa może sprawić, że obserwator odnosi wrażenie, jakoby fala poruszała się z prędkością przekraczającą obowiązujący limit. Ale w rzeczywistości przyczynowość pozostaje nienaruszona, a szczególna teoria względności Alberta Einsteina nadal obowiązuje.
Paradoks polega na tym, że podobne zjawiska są dobrze znane fizykom. Fale mogą wykazywać pozornie nadświetlne prędkości fazowe lub grupowe w określonych warunkach, lecz nie oznacza to, że informacja rzeczywiście przekracza prędkość dźwięku. Tym razem podobny efekt pojawił się w bardzo nietypowym środowisku: podczas śledzenia wielorybów w oceanie.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Spiesberger natrafił na problem podczas doskonalenia programu służącego do obliczania prędkości dźwięku potrzebnej w modelach lokalizowania wielorybów. Pierwsze wyniki sugerowały około 1000 metrów na sekundę, czyli mniej niż rzeczywista prędkość dźwięku w wodzie. Później pojawiły się jednak wartości sięgające 3000 metrów na sekundę. Naukowiec początkowo był przekonany, że popełnił gdzieś błąd, jednak weryfikacja potwierdziła, że nic takiego nie miało miejsca. Spiesberger planuje teraz odtworzyć zjawisko w warunkach laboratoryjnych, wykorzystując mikrofony i twardą powierzchnię, od której odbijałby się dźwięk. Gdyby wstępne ustalenia się potwierdziły, to kolejnym etapem eksperymentów będzie sprawdzenie, czy podobny mechanizm można zaobserwować również w przypadku światła.
Źródło: Physical Review E
