Финвала под водой можно услышать примерно за 100 километров, поэтому ученым не приходится полагаться на редкие появления животных у поверхности. Несколько гидрофонов на морском дне записывают один и тот же зов, а разница во времени прихода сигнала позволяет вычислить координаты кита. Однако возле поверхности океана привычный расчет дает заметную ошибку. В некоторых условиях предполагаемое положение животного смещается на сотни метров.
Причину нашли в том, как звук распространяется между китом и приемником. Часть акустической волны идет к гидрофону напрямую. Другая часть сначала достигает поверхности океана, отражается и лишь затем приходит к датчику. Второй маршрут длиннее, поэтому отраженный сигнал запаздывает относительно прямого.
Гидрофон в результате получает две версии одного и того же звука с небольшим временным сдвигом. Волны накладываются друг на друга, причем их фазы могут не совпадать. Возникает временная интерференция: отдельные участки сигнала усиливаются, другие ослабевают, а максимум энергии смещается по времени.
Тот же физический принцип встречается и в радиосвязи. Радиоволна может попасть к антенне несколькими путями, например напрямую и после отражения от окружающих объектов. Если сигналы приходят с разной фазой, прием ухудшается. В океане роль отражающей поверхности играет граница воды и воздуха.
Необычный эффект обнаружили при доработке программы для расчета скорости звука в формулах акустического слежения за китами. В морской воде звук обычно распространяется примерно со скоростью 1500 метров в секунду. Программа же временами показывала около 1000 метров в секунду, а затем выдала значения, доходившие до 3000 метров в секунду.
Почти двукратное превышение нормальной скорости сначала навело на мысль об ошибке в коде. Проверка программы не нашла сбоя. Аномальные значения появлялись, когда источник звука находился близко к поверхности, а приемник одновременно регистрировал прямой сигнал и отраженное эхо.
Интерференция меняла форму акустического импульса и сдвигала его самый сильный пик вперед. Алгоритм, который определяет момент прихода звука по положению пика, воспринимал смещение как более раннее прибытие сигнала. После пересчета получалось, будто звук двигался быстрее физически допустимой скорости.
Никакого реального сверхбыстрого переноса информации при этом не происходит. Перемещается максимум энергии внутри меняющейся волны, а не фронт сигнала, который способен нести новую информацию. Разница важна для физики: форма волны может деформироваться так, что ее пик окажется в неожиданном месте, но причинность при этом не нарушается.
Связь с теорией относительности возникает именно здесь. Физика давно допускает ситуации, когда отдельные характеристики волнового пакета формально движутся быстрее света. Специальная теория относительности запрещает другое: передавать информацию или физическое воздействие быстрее скорости света в вакууме. Смещение пика волны такого запрета не нарушает.
Для наблюдения за китами эффект имеет вполне практические последствия. Акустическая система вычисляет положение животного по времени, за которое сигнал достигает нескольких приемников. Если интерференция сдвигает зарегистрированный максимум, программа получает неверное время прихода. Небольшая временная погрешность после пересчета в расстояние способна дать ошибку в сотни метров.
Особенно сильно проблема проявляется у животных, которые находятся недалеко от поверхности. Расстояние между прямым и отраженным маршрутами в подобных условиях создает заметный временной сдвиг между двумя версиями одного сигнала. Простого расчета по постоянной скорости звука тогда недостаточно. Алгоритму приходится учитывать отражение от поверхности, геометрию распространения и изменение формы акустического импульса.
Для длительных наблюдений океанографы используют автономные донные приемники. Устройства оснащают собственными часами и оставляют на дне на несколько месяцев, пока датчики записывают подводные звуки. После завершения работы судно передает специальную акустическую команду, приемник освобождается от груза и всплывает, чтобы исследователи могли забрать накопленные записи.
Пока обнаруженный механизм проверили с помощью расчетов и компьютерного моделирования. Следующий этап пройдет в лаборатории. Исследователи хотят разместить микрофоны над твердым полом и использовать поверхность пола как отражатель. Один акустический сигнал пройдет к приемнику напрямую, второй отразится от поверхности. Наложение двух волн должно показать, действительно ли интерференция способна сдвинуть максимум импульса на величину, которую предсказывает модель.
После акустического опыта тот же принцип можно проверить со светом. Делитель луча направит часть света сразу к детектору, а вторую часть отправит к отражателю. Затем оба пути снова объединятся, и интерференция изменит форму зарегистрированного импульса. Исследователям предстоит выяснить, какой вариант позволит надежнее измерить смещение пика: акустический или оптический.
Если лабораторные измерения подтвердят расчеты, модели акустического слежения можно будет точнее настроить для китов, плавающих возле поверхности. Пассивные гидрофоны позволяют находить животных на больших расстояниях без визуального контакта, а учет отраженного сигнала поможет уменьшить ошибку при определении координат.