Песни китов распространяются быстрее скорости звука, не нарушая законов физики

Фото из открытых источников

Глубокие крики огромных китов слышны далеко за океанами, но когда Джон Шписбергер из Пенсильванского университета попытался измерить скорость звуковых волн финвалов, его результаты его смутили. В конце концов он выяснил, что две волны объединяются, искажая кажущуюся скорость сигнала — эффект, наиболее известный по парадоксу специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.

Зная скорость издаваемого китовым криком материала, мы можем определить местоположение его источника, что полезно для проведения биологических исследований. (По всей видимости, у китов есть свои причины интересоваться местоположением других представителей своего вида.) Однако программа Шписбергера по оценке скорости на основе данных, полученных с помощью нескольких записывающих устройств, дала, по-видимому, бессмысленные результаты. 

«В первый раз мы получили значение около 1000 метров в секунду», — сказал Шписбергер. Обычно для морской воды цитируется значение 1500 метров в секунду. «А затем, в дальнейшем, я получал значения, которые иногда достигали 3000 метров в секунду. Я сразу подумал, что в моей программе ошибка».

В конце концов Шписбергер понял, что противоречия возникают из-за того, что часть звуковых волн распространяется непосредственно к приемникам, в то время как другие отражаются от поверхности океана и, следовательно, проходят более длинный путь. Само по себе это не ново; всем нам знакомо, как эхо может достигать нас с задержкой.

Однако то, что обнаружили Шписбергер и его соавтор Юджин Террей из Океанографического института Вудс-Хоул в Массачусетсе, было вызвано тем, как эти сигналы объединяются, создавая «временные помехи». Читатели старшего возраста знакомы с последствиями этого явления по тому, как радио или телевизоры могут терять сигнал, когда радиоволны, приходящие разными путями, мешают друг другу. Читатели младшего возраста могут спросить своих родителей. 

Любопытная особенность временной интерференции заключается в том, что пик энергии может наступить раньше, чем можно было бы ожидать от любого из сигналов по отдельности. «Этот эффект звучит как нарушение законов физики, — сказал Шписбергер. — Но это не так».

Связь с Эйнштейном заключается в том, что специальная теория относительности часто описывается как утверждение о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Физики всегда готовы к вызовам и немедленно ищут исключения. Помимо возможности существования тахионов — частиц, которые всегда движутся быстрее света, — специальная теория относительности не исключает возможности того, что электромагнитные волны могут объединяться таким образом, что пик сигнала будет распространяться быстрее скорости света. Это происходит даже несмотря на то, что сами фотоны продолжают двигаться со скоростью света. 

Однако, что крайне важно, этот пик не несёт никакой информации. Если бы она была, можно было бы отправлять информацию в прошлое. «Вы не можете использовать этот трюк, чтобы отправить сообщение своему прошлому «я» с призывом делать ставки на фондовом рынке», — сказал Шписбергер. «Причинно-следственная связь не отменяется».

Идея о том, что пик энергии движется быстрее, чем несёт его волна, может показаться абсурдной, но можно представить себе аналогичную ситуацию, когда океанская волна под углом врезается в стену. Гребень сначала ударится об один конец стены, а затем будет двигаться вдоль неё по мере того, как всё большая часть входящей волны будет сталкиваться с ней. 

В зависимости от угла между ними, точка соприкосновения гребня волны со стеной может двигаться быстрее, чем сама волна. Повторим мысленный эксперимент, заменив океанскую волну лучом света: точка освещения может распространяться вдоль стены быстрее скорости света, не неся при этом никакой информации, которая противоречила бы теориям Эйнштейна. 

Однако, хотя некоторые преподаватели-физики любят упоминать об этой возможности, чтобы заставить своих студентов поломать голову, она возникает лишь в очень ограниченных условиях, которые редко встречаются в природе. По крайней мере, это верно для световых волн — похоже, киты создают временную интерференцию в звуковых волнах на протяжении миллионов лет.

Более того, хотя основная концепция известна уже столетие, многое в механизме действия этого эффекта до сих пор не изучено. В прошлом году Шписбергер и другие авторы опубликовали статью о том, как связанные с этим эффекты могут замедлять скорость звука, используя то, что они называют «трехмерной эффективной скоростью» пикового энергетического пакета. Теперь Шписбергер и Террей представили более строгое математическое описание физики того, как временная интерференция может создавать кажущееся сверхзвуковое и сверхсветовое движение энергии.

Хотя Шписбергер уверен, что причиной того, что его китовые крики движутся с разной скоростью, являются временные помехи, он все же считает необходимым продемонстрировать это экспериментально. Сначала он планирует отражать звуковые волны от твердого пола и объединять их с теми, которые идут непосредственно к приемнику, надеясь получить перевернутые модели того, что делают киты. Затем он хочет сделать то же самое в тысячи раз быстрее, используя лазеры.