Científicos del 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 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 invertir 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, por lo tanto, haciendo que el sonido de la sirena aumente de tono, un proceso conocido por los científicos como "desplazamiento al azul". Una vez que pasa la ambulancia, las ondas sonoras se "estiran", bajando su frecuencia y bajando el tono, un "corrimiento al rojo".
El profesor Miles Padgett, de la Cátedra Kelvin de Filosofía Natural de la Universidad de Glasgow, dijo: "Sabemos desde hace un tiempo que ocurren cosas extrañas cuando el observador hipotético persigue el sonido emitido por la sirena de una 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 de la familiar subida y bajada repetitiva, porque el observador ahora se mueve más rápido que el sonido que está escuchando: el sonido más reciente que hace llegará al observador antes que los que hizo en el pasado, lo contrario de cómo viaja el sonido a velocidades subsónicas".
Ya sea supersónico o subsónico, lo que el hipotético observador de ambulancias está observando se conoce más propiamente como el efecto Doppler lineal, donde las ondas sonoras viajan en línea recta a medida que se produce el movimiento entre el objeto y el observador.
En 1981, un químico llamado Bruce Garetz demostró por primera vez el efecto Doppler rotacional, donde los cambios de frecuencia ocurren cuando las ondas electromagnéticas (en este caso las ondas de luz) se mueven en un círculo alrededor de un solo 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 anteriores, los 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" al estilo de un sacacorchos, una propiedad conocida como momento angular orbital, o "OAM". Su trabajo mostró que el OAM de la luz láser se desplaza por Doppler cuando golpea una superficie reflectante giratoria y transporta información sobre la velocidad de rotación de la superficie.
En su nueva investigación, eligieron explorar cómo el OAM de las ondas sonoras se ve afectado por la rotación. Para ello, colocaron 16 altavoces en círculo, frente a dos micrófonos montados en un anillo giratorio. Al colocar los micrófonos muy ligeramente desplazados entre sí, pudieron medir la magnitud y el OAM direccional de las ondas acústicas de los altavoces como el intervalo del anillo giratorio.
El Dr. Graham Gibson, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow, autor principal del artículo, agregó: "Descubrimos que, de hecho, podíamos generar ondas acústicas negativas rotacionales desplazadas por Doppler que invirtieran el OAM de la onda, que es algo que no se ha demostrado antes, esencialmente, podríamos revertir el giro de las ondas acústicas.
"Además, podríamos generar esas frecuencias negativas mientras el anillo de nuestro micrófono se extiende a velocidades subsónicas muy bajas, con una velocidad de rotación de alrededor de 25 Hz, algo que es imposible en desplazamientos Doppler lineales".
El Dr. Dave Phillips, de la Universidad de Exeter, agregó: "Es un hallazgo muy interesante, con aplicaciones potenciales en una variedad de disciplinas científicas, incluida la teoría cuántica de campos. Estamos ansiosos por continuar explorando las implicaciones de los hallazgos en el futuro".
El artículo del equipo, titulado «Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift» (Inversión del momento angular orbital que surge de un desplazamiento Doppler extremo), se publica en Proceedings of the National Academy of Science.
La investigación contó con el apoyo financiero del Consejo Europeo de Investigación, la Real Academia de Ingeniería y el Centro EPSRC de Formación Doctoral en Detección y Medición Inteligentes.