Scienziati con sede nel Regno Unito e negli Stati Uniti hanno dimostrato per la prima volta come le onde sonore "attorcigliate" provenienti da una sorgente rotante possano produrre frequenze negative, analogamente 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 siano riusciti a costruire 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 osservato il passaggio di un'ambulanza mentre suona la sirena. Quando l'ambulanza si avvicina all'osservatore, le onde sonore si "accumulano", aumentando la frequenza delle onde e causando così l'aumento del tono del suono della sirena, un processo noto agli scienziati come "blueshift". Una volta che l'ambulanza passa, le onde sonore si "allungano", abbassando la loro frequenza e abbassando il tono – un "redshift".

Il professor Miles Padgett, della cattedra Kelvin di filosofia naturale dell'Università di Glasgow, ha dichiarato: "Sappiamo da un po' di tempo che accadono cose strane quando l'ipotetico osservatore insegue il suono emesso dalla sirena di un'ambulanza a velocità supersoniche e crea quella che potremmo essere chiamati una frequenza 'negativa'.

"A quelle velocità, l'osservatore sentirebbe il suono della sirena all'indietro invece del familiare saliscendi ripetitivo, perché l'osservatore si sta muovendo più velocemente del suono che sta sentendo: il suono più recente che emette raggiungerà l'osservatore prima di quelli che ha emesso in passato, l'opposto di come il suono viaggia a velocità subsoniche".

Che sia supersonico o subsonico, ciò che l'ipotetico osservatore dell'ambulanza sta osservando è più propriamente noto come effetto Doppler lineare, in cui le onde sonore viaggiano in linea retta mentre il movimento avviene tra l'oggetto e l'osservatore.

Nel 1981, un chimico di nome Bruce Garetz dimostrò per la prima volta l'effetto Doppler rotazionale, in cui gli spostamenti di frequenza si verificano quando le onde elettromagnetiche (in questo caso le 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 movimento tra l'oggetto e l'osservatore.

In precedenti ricerche, i ricercatori di Glasgow hanno esplorato come lo spostamento Doppler rotazionale sia influenzato quando ai campi elettrici e magnetici della luce viene data una "torsione" in stile cavatappi, una proprietà nota come momento angolare orbitale, o "OAM". Il loro lavoro ha dimostrato che l'OAM della luce laser è spostato 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 è influenzato dalla rotazione. Per fare ciò, hanno disposto 16 altoparlanti in cerchio, di fronte a due microfoni montati su un anello rotante. Disponendo i microfoni leggermente sfalsati l'uno dall'altro, è stato possibile misurare l'ampiezza e l'OAM direzionale delle onde acustiche provenienti dagli altoparlanti come l'anello rotante.

Il dottor Graham Gibson della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow, autore principale dell'articolo, ha aggiunto: "Abbiamo scoperto che potremmo effettivamente generare onde acustiche Doppler rotazionali negative che invertono l'OAM dell'onda, che è qualcosa che non è stato dimostrato prima – in sostanza, potremmo invertire la torsione delle onde acustiche.

"Inoltre, potremmo generare quelle frequenze negative mentre il nostro anello microfonico si estende a velocità molto basse, sub-soniche, con una velocità di rotazione di circa 25 Hz, qualcosa che è impossibile negli spostamenti Doppler lineari".

Il dottor Dave Phillips, dell'Università di Exeter, ha aggiunto: "È una scoperta molto interessante, con potenziali applicazioni in una serie di discipline scientifiche, tra cui la teoria quantistica dei campi. Siamo ansiosi 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 stato pubblicato su Proceedings of the National Academy of Science.

La ricerca è stata sostenuta da finanziamenti del Consiglio europeo della ricerca, della Royal Academy of Engineering e del Centro EPSRC per la formazione di dottorato in rilevamento e misurazione intelligenti.