Científicos con base en Reino Unido y Estados Unidos han demostrado por primera vez cómo las ondas sonoras 'retorcidas' de una fuente giratoria pueden producir frecuencias negativas, análogas a retroceder en el tiempo.
Un equipo de investigadores de las universidades de Glasgow, Exeter e Illinois Wesleyan informa en la revista Proceedings of the National Academy of Science cómo han construido un sistema capaz de revertir el momento angular de una onda sonora sin necesidad de velocidades supersónicas.
El efecto Doppler es un fenómeno familiar para cualquiera que haya visto pasar una ambulancia mientras hace sonar su sirena. A medida que la ambulancia se acerca al observador, las ondas sonoras 'se acumulan', elevando la frecuencia de las ondas y haciendo que el sonido de la sirena suba de tono, un proceso conocido por los científicos como 'corrimiento al azul'. Una vez que la ambulancia pasa, las ondas sonoras 'se estiran', bajando su frecuencia y bajando el tono, un 'corrimiento al rojo'.
El profesor Miles Padgett, titular de la Cátedra Kelvin de Filosofía Natural de la Universidad de Glasgow, dijo: "Hace tiempo que sabemos que ocurren cosas extrañas cuando el observador hipotético persigue el sonido emitido por una sirena de ambulancia a velocidades supersónicas y crea lo que podríamos llamar una frecuencia 'negativa'.
"A esas velocidades, el observador escucharía el sonido de la sirena hacia atrás en lugar del familiar subir y bajar repetitivo, porque ahora se mueve más rápido que el sonido que escucha; el sonido más reciente que emite llegará al observador antes que los que hizo en el pasado, lo opuesto a cómo viaja el sonido a velocidades subsónicas."
Ya sea supersónico o subsónico, lo que observa el observador hipotético de ambulancias se conoce más propiamente como el efecto Doppler lineal, donde las ondas sonoras viajan en línea recta mientras ocurre el movimiento entre objeto y observador.
En 1981, un químico llamado Bruce Garetz demostró por primera vez el efecto Doppler rotacional, donde los desplazamientos de frecuencia ocurren cuando las ondas electromagnéticas (en este caso ondas de luz) se mueven en círculo alrededor de un único punto fijo. A diferencia de los desplazamientos Doppler lineales, no se ha demostrado que los desplazamientos Doppler rotacionales generen frecuencias negativas, ya que no hay movimiento entre el objeto y el observador.
En investigaciones previas, investigadores de Glasgow han explorado cómo se ve afectado el desplazamiento Doppler rotacional cuando los campos eléctricos y magnéticos de la luz reciben un 'giro' tipo sacacorchos, una propiedad conocida como momento angular orbital, o 'OAM'. Su trabajo mostró que el OAM de la luz láser se desplaza Doppler cuando impacta una superficie reflectante giratoria, y transporta información sobre la velocidad de rotación de la superficie.
En su nueva investigación, decidieron explorar cómo la OAM de las ondas sonoras se ve afectada por la rotación. Para ello, organizaron 16 altavoces en círculo, frente a dos micrófonos montados en un anillo giratorio. Al colocar los micrófonos ligeramente desplazados entre sí, podían medir la magnitud y la dirección de OAM de las ondas acústicas de los altavoces a medida que el anillo giratorio se extendía.
El Dr. Graham Gibson, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, autor principal del artículo, añadió: "Descubrimos que realmente podíamos generar ondas acústicas rotacionales negativas con desplazamiento Doppler que invirtieron el OAM de la onda, algo que no se había demostrado antes; esencialmente, podíamos invertir la torsión de las ondas acústicas.
"Además, podríamos generar esas frecuencias negativas mientras nuestro anillo de micrófono se extiende a velocidades muy bajas y subsónicas, con una velocidad de rotación de alrededor de 25Hz, algo imposible en desplazamientos Doppler lineales."
El Dr. Dave Phillips, de la Universidad de Exeter, añadió: "Es un hallazgo muy interesante, con posibles aplicaciones en diversas disciplinas científicas, incluida la teoría cuántica de campos. Estamos interesados en seguir explorando las implicaciones de los hallazgos en el futuro."
El artículo del equipo, titulado 'Reversión del momento angular orbital derivado de un desplazamiento Doppler extremo', se publica en Proceedings of the National Academy of Science.
La investigación fue financiada por el Consejo Europeo de Investigación, la Real Academia de Ingeniería y el Centro EPSRC para la Formación Doctoral en Detección y Medición Inteligente.