Хитрий ефект дозволяє енергії виглядати швидшою за світло

13 серпня 2026 р. 01:19

13 серпня 2026 р. 01:19

Деякі фундаментальні правила Всесвіту здаються непорушними: ентропія зростає, гравітація притягує, а ніщо не може рухатися швидше за світло у вакуумі. Однак дивна особливість того, як звукові хвилі взаємодіють у воді, показала, що пік енергії хвилі може виглядати таким, що прибуває раніше, ніж дозволяє проста пряма траєкторія.

Двоє дослідників стверджують, що інтерференція хвиль, які йдуть до приймача двома різними шляхами, здатна зробити так, що максимум їхньої сумарної енергії з’явиться раніше, ніж максимум хвилі, що йде лише по прямій. Робота виконана для звуку під водою, але, принаймні теоретично, подібний механізм може працювати і для електромагнітних хвиль у вакуумі, пише ScienceAlert .

Попри це, автори підкреслюють: швидкість перенесення інформації при такому ефекті не перевищує швидкості світла у вакуумі, тож спеціальна теорія відносності не порушується.

Як до ефекту привели співи китів

Дослідження виросло з робіт про поширення звуку в океані — і почалося з вивчення співів китів. Біологи фіксують їхні сигнали масивами гідрофонів, а різниця в часі приходу звуку на різні датчики дозволяє триангуляцією визначати місце тварини.

Акустик Джон Л. Спайсбергер (John L. Spiesberger) з Університету Пенсільванії та океанограф Юджин Террей (Eugene Terray) з Океанографічного інституту Вудс-Хоул помітили, що іноді така локалізація дає великі похибки. У статті 2025 року вони описали явище, яке може це пояснити.

Якщо кит досить близько до поверхні, частина звуку його крику йде безпосередньо до гідрофона, а частина відбивається від нижнього боку поверхні води. Коли ці дві хвилі накладаються в точці прийому, інтерференція зміщує максимум отриманого сигналу, змушуючи його виглядати таким, що прибув пізніше — тобто ніби звук поширювався повільніше, ніж насправді йде пряма хвиля.

Тоді автори показали тільки «уповільнення» сигналу. Але коли Спайсбергер перейшов до більш реалістичних форм імпульсів, з’ясувалося, що за певних умов ефект може працювати й навпаки.

Як інтерференція створює «надшвидкий» пік енергії

У новій роботі розглядають імпульс, що йде прямо від джерела до приймача, та імпульс, який відбивається від плоскої поверхні. Якщо тонко підібрати різницю в часі між ними, інтерференція «переформатовує» сумарний імпульс так, що його пік досягає приймача раніше , ніж максимум прямої хвилі.

В одному з числових експериментів дослідники моделювали звук у воді зі швидкістю 1500 метрів за секунду. Виявилося, що енергетичні піки сумарної хвилі можуть виглядати так, ніби вони рухаються зі швидкістю близько 1694,5 і 2782,5 метра за секунду. Останнє значення майже вдвічі перевищує реальну швидкість звуку в моделі.

Тобто геометрія шляхів і інтерференція дозволяють максимуму енергії «обігнати» пік прямого імпульсу, не змінюючи при цьому власної фізичної швидкості поширення хвильового фронту.

Чи можна так «обігнати» світло

На думку авторів, цей механізм не обмежується звуком у воді. Вони припускають, що аналогічний ефект має існувати й для електромагнітних хвиль у вакуумі: поєднання прямого та відбитого шляху може створити явну надсвітлову швидкість піку енергії.

Спайсбергер і Террей підкреслюють, що йдеться про ще один можливий механізм надсвітлового поширення, відмінний від відомих ефектів на кшталт мікрохвильового тунелювання, квантового тунелювання чи аномальної дисперсії. У всіх цих випадках спостерігаються прояви, де певні характеристики хвилі поводяться так, ніби перевищують швидкість світла, але швидкість передачі інформації все одно лишається нижчою або рівною цій межі.

Те саме, за їхніми розрахунками, має стосуватися і нового ефекту «прямий плюс відбитий шлях».

Пік енергії проти передачі інформації

Ключовий момент — різниця між положенням енергетичного максимуму хвилі та швидкістю надходження нової інформації . Щоб з’ясувати, як саме передається інформація, дослідники змоделювали відправлення двох різних сигналів, що відповідають умовним «1» і «0».

До певного моменту, який вони назвали часом нуль, обидва сигнали однакові. В момент часу нуль джерело перемикається на «1» або «0». Ця зміна розходиться до приймача двома шляхами — прямим і відбитим.

Нову інформацію вважають доставленою в той момент, коли приймач може надійно визначити, що надійшло — «1» чи «0». Обчислення показали, що цей момент ніколи не настає раніше, ніж інформація могла б прибути вздовж прямого шляху зі звичайною швидкістю поширення хвилі.

Інтерференція здатна «виштовхнути» енергетичний пік уперед, але не може створити інформацію в точці прийому раніше, ніж вона фізично туди дійшла. Таким чином, межа, встановлена спеціальною теорією відносності для інформації, зберігається.

Водночас у розрахунках з’явилася ще одна особливість: хоча інформація не виходила за межі світлової швидкості, інтерференція давала їй невелике «прискорення» порівняно з деякими іншими сценаріями поширення. Чому так відбувається, дослідники поки що не впевнені.

Наступний крок — перевірка в експерименті

Поки що все це — результат комп’ютерного моделювання. Наступним кроком, за словами авторів, має стати пряма лабораторна перевірка, як зі звуковими хвилями, так і, за можливості, зі світлом.

Якщо ефект «прямий + відбитий шлях» вдасться зафіксувати для електромагнітних хвиль і він справді дасть надсвітлові швидкості піків енергії, це стане, на думку Спайсбергера і Террея, одним із найпростішим відомих класичних способів отримати надсвітлові прояви без порушення фундаментальних законів фізики.

Автори також зазначають, що класичні фізичні ефекти часто мають свої аналоги в квантовій механіці, тож варто розглянути, чи може подібний подвійний шлях мати цікаві наслідки і в квантовому світі. Робота прийнята до публікації в журналі Physical Review E.

Наука