Wissenschaftler beobachteten Wale – und maßen eine Geschwindigkeit, die fast doppelt so hoch war wie die Schallgeschwindigkeit
Der Versuch, die Position von Walen anhand ihrer Laute genauer zu bestimmen, führte die Wissenschaftler zu einem unerwarteten physikalischen Effekt. In einem Computermodell, in dem die übliche Schallgeschwindigkeit im Wasser 1.500 m/s betrug, erreichte die berechnete Geschwindigkeit, mit der das Maximum eines der Signale auftrat, 2.782,5 m/s – fast doppelt so viel.
Die Forscher konnten jedoch keinen Verstoß gegen die Gesetze der Physik feststellen. Es handelt sich nicht um Schall oder Informationen, die tatsächlich mit einer solchen Geschwindigkeit durch das Wasser wandern, sondern um einen Interferenzeffekt: Das direkte Signal und seine Reflexion überlagern sich so, dass das Maximum der resultierenden Welle früher als erwartet auftritt. Darüber hinaus basiert diese Arbeit bislang auf theoretischen Überlegungen und numerischen Simulationen – der Effekt muss noch experimentell bestätigt werden.
Alles begann mit dem Versuch, Wale genauer zu orten
Der Ozeanograph John Spiceberger von der University of Pennsylvania beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der passiven akustischen Ortung von Meeressäugetieren. Anstatt die Tiere visuell zu suchen, installieren die Forscher mehrere Unterwasserempfänger – Hydrophone – und vergleichen den Zeitpunkt, zu dem derselbe Walruf verschiedene Punkte erreicht.
Anhand dieser Zeitdifferenz lässt sich die Position des Tieres berechnen. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Wale, die einen Großteil ihrer Zeit unter Wasser verbringen und über große Entfernungen hinweg hörbar sind.
Allerdings weist diese Methode ein physikalisches Problem auf. Der Schall im Ozean breitet sich nicht zwangsläufig auf einem einzigen Weg vom Wal zum Hydrofon aus. Ein Teil des Signals gelangt direkt zum Hydrofon, während ein anderer Teil zunächst von der Wasseroberfläche reflektiert werden kann.
Frühere Arbeiten von Spiesberger haben bereits gezeigt, dass die Interferenz solcher Signale die berechnete Geschwindigkeit des akustischen Impulses erheblich verändern und somit die Bestimmung der Koordinaten des Tieres beeinflussen kann.
Der Schall schien gewissermaßen zwei Wege gleichzeitig zu nehmen
Die neue Arbeit befasst sich damit, was geschieht, wenn das direkte und das reflektierte Signal fast gleichzeitig eintreffen.
Man kann sich diesen Effekt wie folgt vorstellen: Ein Wal gibt einen Laut von sich, und das Hydrofon empfängt zwei Versionen davon. Die erste gelangt direkt zum Empfänger. Die zweite erreicht die Meeresoberfläche, wird von ihr reflektiert und gelangt erst danach zum selben Hydrofon.
Diese Wellen sind zeitlich leicht versetzt. Wenn sie sich überlagern, entsteht eine Interferenz – eine Verstärkung einiger Signalanteile und eine Abschwächung anderer.
Infolgedessen verändert sich die Form des gesamten Impulses. Sein deutlichstes Maximum kann an einer anderen Stelle liegen, als es bei einem Signal der Fall wäre, das ausschließlich auf direktem Weg angekommen wäre.
Im Modell ergaben sich fast 2.800 Meter pro Sekunde
Genau hier erzielten die Wissenschaftler das eindrucksvollste Ergebnis.
In einem der Berechnungsszenarien wurde die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser auf 1.500 m/s festgelegt. Für zwei Modellsignale berechneten die Forscher die Auftretengeschwindigkeiten der Maxima mit 1.694,5 bzw. 2.782,5 m/s. Beide Werte lagen über der üblichen Schallgeschwindigkeit in dem vorgegebenen Medium.
Im zweiten Fall lag der Wert etwa 1,85-mal höher als die Ausgangsgeschwindigkeit von 1.500 m/s.
Auf den ersten Blick sieht es so aus, als hätte der Schallimpuls auf irgendeine Weise seine eigene Geschwindigkeitsgrenze überschritten. Doch genau hier liegt der wesentliche Unterschied zwischen dem Ort, an dem das Maximum des Wellenpakets auftritt, und der Geschwindigkeit, mit der neue Informationen übertragen werden können.
Tatsächlich hat kein Signal den Schall überholt
Die Autoren haben separat geprüft, ob sich dieser ungewöhnliche Effekt für eine schnellere Informationsübertragung nutzen lässt.
In ihren Simulationen fiel die Antwort negativ aus.
Obwohl das Maximum des Wellenpakets so auftrat, dass die berechnete Geschwindigkeit 1.500 m/s überstieg, wurden die Informationen langsamer als mit der üblichen Schallgeschwindigkeit übertragen. Mit anderen Worten: Die Interferenz ist zwar in der Lage, die Form eines sich bereits ausbreitenden Signals umzugestalten, ermöglicht es jedoch nicht, eine Nachricht zu senden, die den Empfänger vor dem physikalisch zulässigen Zeitpunkt erreicht.
Genau aus diesem Grund wäre die Formulierung „Wissenschaftler haben die Schallgeschwindigkeit fast verdoppelt“ falsch. Die Geschwindigkeit von 2.782,5 m/s bezieht sich auf eine bestimmte Methode zur Ortung des Maximalpunkts eines Wellenpakets und nicht auf eine ultraschnelle Informationsübertragung durch Wasser.
Und hier kommt Einsteins Relativitätstheorie ins Spiel
Das ungewöhnliche akustische Ergebnis veranlasste die Forscher, sich eine grundlegendere Frage zu stellen: Kann ein ähnlicher Effekt nicht nur bei Schall, sondern auch bei elektromagnetischen Wellen – beispielsweise bei Licht – auftreten?
Sollten direkte und reflektierte Lichtsignale auf ähnliche Weise in Interferenz treten, könnte das Maximum des Wellenpakets theoretisch ebenfalls so aussehen, als würde es sich schneller als Licht fortbewegen.
Die Autoren betonen jedoch: Bei elektromagnetischen Wellen handelt es sich hierbei bislang um eine Hypothese und nicht um ein experimentelles Ergebnis. Eine Überprüfung steht noch aus.
Selbst wenn es gelänge, diesen Effekt mit Licht zu erzielen, würde die spezielle Relativitätstheorie dadurch nicht in Frage gestellt. Die Berechnungen der Forscher zeigen, dass neue Informationen nicht schneller als Licht im Vakuum übertragen werden können. Der erste Teil des Signals, der neue Informationen transportieren kann, muss dennoch auf dem üblichen direkten Weg ankommen.
Genau darin besteht der Zusammenhang mit Einsteins Arbeit: Ein bestimmter Teil der Wellenform kann sich zwar ungewöhnlich schnell fortbewegen oder erscheinen, doch die Kausalität und die fundamentale Grenze der Informationsübertragung bleiben erhalten.
Ein Fehler könnte die Suche nach Walen anhand ihrer Laute behindern
Die Arbeit hat auch eine durchaus praktische Seite.
Bei der akustischen Ortung eines Tieres werden dessen Koordinaten häufig anhand der Zeitdifferenz bestimmt, mit der ein und derselbe Schall mehrere Hydrophone erreicht. Solche Berechnungen beruhen auf der Annahme hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals.
Ändert sich jedoch die Position des Impulsmaximums aufgrund der Interferenz von direktem und reflektiertem Schall, kann die Verwendung eines Standardwerts für die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu einer falschen Einschätzung der Position der Schallquelle führen.
Frühere Berechnungen von Spiesberger und Kollegen haben bereits gezeigt, dass solche Effekte bei der Bestimmung der Koordinaten von Walen anhand der Ankunftszeiten ihrer Signale berücksichtigt werden müssen.
Daher könnte die ungewöhnliche Physik der Wellenpakete eine ganz konkrete Anwendung finden – nämlich die akustische Beobachtung von Meeressäugetieren präziser zu gestalten.
Bislang handelt es sich um eine Theorie und nicht um einen „mit Überschallgeschwindigkeit“ aufgezeichneten Schall
Die Studie weist eine grundsätzliche Einschränkung auf: Das erzielte Ergebnis basiert bislang auf theoretischen Berechnungen und Computersimulationen.
Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass der Effekt einer experimentellen Bestätigung bedarf. Sie sind der Ansicht, dass er sowohl für akustische als auch potenziell für elektromagnetische Wellen überprüft werden kann. Bei Licht lässt sich beispielsweise ein Strahl in zwei Pfade aufteilen, von denen der eine direkt auf den Detektor und der andere über einen Reflektor geleitet wird, woraufhin die Signale wieder zusammengeführt werden.
Daher kann das vorliegende Ergebnis nicht als experimentelle Messung von Schall beschrieben werden, der sich tatsächlich mit einer Geschwindigkeit von 2782,5 m/s ausbreitet.
Korrekter wäre es zu sagen, dass die Interferenz in der Simulation ein Wellenpaket ergab, dessen Maximum dieser scheinbaren Geschwindigkeit entsprach.
Und doch ist die Geschichte an sich ungewöhnlich: Eine Aufgabe, die ursprünglich damit zusammenhing, wie man einen Wal im Ozean genauer hören und finden kann, führte die Forscher zu der grundlegenden Frage, was genau wir meinen, wenn wir von der „Geschwindigkeit“ einer Welle sprechen.
Quelle
Autoren: John L. Spiesberger, Eugene Terray – Universität von Pennsylvania und Woods Hole Oceanographic Institution.
Zeitschrift: Physical Review E, Band 114, Artikel 025107. Die Arbeit wurde am 18. August 2026 veröffentlicht.