Scienziati con sede nel Regno Unito e negli Stati Uniti hanno dimostrato per la prima volta come onde sonore 'contorte' provenienti da una sorgente in rotazione possano produrre frequenze negative, analoghe al ritorno indietro nel tempo.
Un team di ricercatori delle Università di Glasgow, Exeter e Illinois Wesleyan riporta sulla rivista Proceedings of the National Academy of Science come abbiano costruito un sistema in grado di invertire il momento angolare di un'onda sonora senza la necessità di velocità supersoniche.
L'effetto Doppler è un fenomeno familiare a chiunque abbia visto passare un'ambulanza mentre suonava la sirena. Quando l'ambulanza si avvicina all'osservatore, le onde sonore 'si accumulano', aumentando la frequenza delle onde e facendo sì che il suono della sirena aumenti di tono, un processo noto dagli scienziati come 'blueshift'. Una volta passata l'ambulanza, le onde sonore 'si allungano', abbassando la frequenza e abbassando il tono – un 'redshift'.
Il professor Miles Padgett, titolare della cattedra Kelvin di Filosofia Naturale dell'Università di Glasgow, ha detto: "Sappiamo da tempo che accadono cose strane quando l'osservatore ipotetico insegue il suono emesso da una sirena di ambulanza a velocità supersoniche e crea quella che potremmo chiamare una frequenza 'negativa'.
"A quelle velocità, l'osservatore sentirebbe il suono della sirena al contrario invece del familiare ripetitivo salire e scendere, perché ora si muove più velocemente del suono che sente – il suono più recente che emette raggiungerà l'osservatore prima di quelli fatti in passato, l'opposto di come il suono viaggia a velocità subsoniche."
Che sia supersonica o subsonica, ciò che osserva l'ipotetico osservatore ambulanza è più propriamente noto come effetto Doppler lineare, dove le onde sonore viaggiano in linea retta mentre avviene il movimento tra oggetto e osservatore.
Nel 1981, un chimico di nome Bruce Garetz dimostrò per la prima volta l'effetto Doppler rotazionale, dove gli spostamenti di frequenza avvengono quando onde elettromagnetiche (in questo caso onde luminose) si muovono in cerchio attorno a un singolo punto fisso. A differenza degli spostamenti Doppler lineari, non è stato dimostrato che gli spostamenti Doppler rotazionali generino frequenze negative, poiché non c'è moto tra l'oggetto e l'osservatore.
In ricerche precedenti, i ricercatori di Glasgow hanno esplorato come lo spostamento Doppler rotazionale venga influenzato quando i campi elettrici e magnetici della luce ricevono una 'torsione' a cavatappi – una proprietà nota come momento angolare orbitale, o 'OAM'. Il loro lavoro ha dimostrato che l'OAM della luce laser è spostata Doppler quando colpisce una superficie riflettente rotante e trasporta informazioni sulla velocità di rotazione della superficie.
Nella loro nuova ricerca, hanno scelto di esplorare come l'OAM delle onde sonore sia influenzata dalla rotazione. Per farlo, disposero 16 altoparlanti in cerchio, rivolti verso due microfoni montati su un anello rotante. Disponendo i microfoni leggermente spostati l'uno dall'altro, potevano misurare la grandezza e la direzione OAM delle onde acustiche provenienti dagli altoparlanti mentre l'anello rotante si estendeva.
Il dottor Graham Gibson della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow, autore principale dell'articolo, ha aggiunto: "Abbiamo scoperto che potevamo effettivamente generare onde acustiche rotazionali negative con spostamento Doppler che invertivano l'OAM dell'onda, cosa che non era mai stata dimostrata prima – in sostanza, potevamo invertire la torsione delle onde acustiche.
"Inoltre, potremmo generare quelle frequenze negative mentre il nostro anello microfonico si estende a velocità molto basse, subsoniche, con una velocità di rotazione di circa 25Hz, cosa impossibile negli spostamenti Doppler lineari."
Il dottor Dave Phillips, dell'Università di Exeter, ha aggiunto: "È una scoperta molto interessante, con potenziali applicazioni in diverse discipline scientifiche, inclusa la teoria quantistica dei campi. Siamo desiderosi di continuare a esplorare le implicazioni dei risultati in futuro."
L'articolo del team, intitolato 'Inversione del momento angolare orbitale derivante da uno spostamento Doppler estremo', è pubblicato su Proceedings of the National Academy of Science.
La ricerca è stata finanziata dal Consiglio Europeo della Ricerca, dalla Royal Academy of Engineering e dal Centro EPSRC per la Formazione Dottorale in Intelligent Sensing and Measurement.