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Verbindung zwischen Walrufen und Einsteins spezieller Relativitätstheorie entdeckt
Schall von Walen kann an Hydrofonen so früh sein Maximum erreichen, dass das stärkste Signalmaximum scheinbar mit Überschall ankommt. Simulationen führen den Effekt auf die Interferenz eines direkten und eines an der Wasseroberfläche reflektierten Schallwegs zurück. In den Simulationen bleibt die Informationsgeschwindigkeit unter der Schallgeschwindigkeit, während ein entsprechender Effekt bei Licht bislang nur eine Hypothese ist.
Philadelphia (U.S.A.). Für die akustische Ortung von Walen vergleichen Ozeanografen, wann derselbe Ruf mehrere Hydrofone erreicht, wobei die Methode eine korrekte Deutung der Schalllaufzeit voraussetzt. Nahe der Wasseroberfläche kann ein Echo den Zeitpunkt des stärksten Signalmaximums verschieben und dadurch eine zu hohe scheinbare Geschwindigkeit erzeugen.
Forscher der University of Pennsylvania (Penn) um John Spiesberger haben diesen Effekt nun theoretisch untersucht und in Computersimulationen nachgebildet, nachdem bei Berechnungen zur Walortung unerwartete Laufzeiten aufgetreten waren. Die neue Arbeit beschreibt dabei keine tatsächlich beschleunigten Schallwellen, sondern eine Verschiebung des Maximums eines überlagerten Wellenpakets.
„Ich hätte nie vermutet, dass es überhaupt einen Zusammenhang gibt“, sagt John Spiesberger.
Ein Walruf kann einen Empfänger auf mindestens zwei Wegen erreichen, denn ein Anteil läuft direkt zum Hydrofon und ein zweiter wird zunächst an der Wasseroberfläche reflektiert. Weil dieser reflektierte Anteil einen längeren Weg zurücklegt, treffen beide Signale mit geringem Zeitversatz ein und überlagern sich. Diese zeitliche Interferenz kann die Form des Gesamtsignals so verändern, dass dessen stärkste Stelle früher erscheint.
In einem idealisierten Rechenbeispiel setzten die Forscher die Schallgeschwindigkeit im Wasser auf 1.500 Meter pro Sekunde und erhielten für zwei simulierte Signalformen aus den verschobenen Signalmaxima scheinbare Geschwindigkeiten von 1.694,5 und 2.782,5 Metern pro Sekunde. Der zweite Wert liegt damit deutlich über der zugrunde gelegten Schallgeschwindigkeit, obwohl sich kein einzelner Signalanteil entsprechend schnell durch das Wasser bewegt.
„Der Effekt klingt wie ein Verstoß gegen die Physik, aber das ist er nicht“, sagt John Spiesberger.
Entscheidend ist die genaue Bedeutung dieser Geschwindigkeit, denn die Autoren bestimmen eine Laufzeit zwischen den Maxima des ausgesendeten und empfangenen Wellenpakets, die sich von der üblichen Phasen- oder Gruppengeschwindigkeit unterscheiden kann. Eine nachträgliche Korrektur der offiziellen Begleitmeldung stellt deshalb klar, dass es um die scheinbare Bewegung des Wellenpaket-Maximums geht und nicht um einen tatsächlich beschleunigten Informationsfluss.
Um die Informationsgeschwindigkeit getrennt zu testen, simulierten die Forscher zwei unterscheidbare Symbole und bestimmten, wann ein Empfänger sie bei endlicher Bandbreite und Rauschen zuverlässig auseinanderhalten kann. In dem untersuchten Beispiel wurde dieser Zeitpunkt sowohl mit reflektiertem Signal als auch ohne Reflexion erst später erreicht, als es eine Informationsübertragung mit Schallgeschwindigkeit erfordern würde, sodass das Maximum mit Überschall erscheinen konnte, während die Information langsamer blieb.
Das Team fand in seinen wenigen simulierten Fällen sogar einen zweiten, noch nicht vollständig verstandenen Effekt. Mit der reflektierten Welle ließ sich die Information früher unterscheiden als nur über den direkten Weg, obwohl ihre Geschwindigkeit weiterhin unter der Schallgeschwindigkeit lag. Die Autoren vermuten, dass die Interferenz Unterschiede zwischen den Symbolen kurz nach dem ersten informationshaltigen Signalanteil verstärken könnte.