Cientistas baseados no Reino Unido e nos EUA demonstraram pela primeira vez como ondas sonoras 'torcidas' de uma fonte rotativa podem produzir frequências negativas, análogas a voltar no tempo.

Uma equipe de pesquisadores das Universidades de Glasgow, Exeter e Illinois Wesleyan relata na revista Proceedings of the National Academy of Science como construíram um sistema capaz de reverter o momento angular de uma onda sonora sem a necessidade de velocidades supersônicas.

O efeito Doppler é um fenômeno familiar para quem já viu uma ambulância passar enquanto tocava sua sirene. À medida que a ambulância se aproxima do observador, as ondas sonoras 'se acumulam', elevando a frequência das ondas e, assim, fazendo com que o som da sirene aumente de tom, um processo conhecido pelos cientistas como 'blueshift'. Uma vez que a ambulância passa, as ondas sonoras 'se estendem', diminuindo sua frequência e baixando o tom – um 'redshift'.

O professor Miles Padgett, titular da Cátedra Kelvin de Filosofia Natural da Universidade de Glasgow, disse: "Já sabemos há algum tempo que coisas estranhas acontecem quando o observador hipotético persegue o som emitido por uma sirene de ambulância em velocidades supersônicas e cria o que poderíamos chamar de frequência 'negativa'.

"Nessas velocidades, o observador ouviria o som da sirene para trás em vez da familiar subida e descida repetitiva, porque agora o observador está se movendo mais rápido do que o som que está ouvindo – o som mais recente que ele produz alcançará o observador antes daqueles que fez no passado, o oposto de como o som viaja em velocidades subsônicas."

Seja supersônica ou subsônica, o que o observador hipotético da ambulância observa é mais propriamente conhecido como efeito Doppler linear, onde as ondas sonoras viajam em linha reta enquanto ocorre movimento entre o objeto e o observador.

Em 1981, um químico chamado Bruce Garetz demonstrou pela primeira vez o efeito Doppler rotacional, onde deslocamentos de frequência ocorrem quando ondas eletromagnéticas (neste caso, ondas de luz) se movem em círculo ao redor de um único ponto fixo. Ao contrário dos deslocamentos Doppler lineares, não foi demonstrado que deslocamentos Doppler rotacionais gerem frequências negativas, já que não há movimento entre o objeto e o observador.

Em pesquisas anteriores, pesquisadores de Glasgow exploraram como o deslocamento Doppler rotacional é afetado quando os campos elétrico e magnético da luz recebem um 'torção' no estilo saca-rolhas – uma propriedade conhecida como momento angular orbital, ou 'OAM'. O trabalho deles mostrou que o OAM da luz laser é deslocado Doppler quando atinge uma superfície refletora rotativa, e carrega informações sobre a taxa de rotação da superfície.

Em sua nova pesquisa, eles optaram por explorar como o OAM das ondas sonoras é afetado pela rotação. Para isso, eles organizaram 16 alto-falantes em círculo, voltados para dois microfones montados em um anel giratório. Ao posicionar os microfones muito ligeiramente deslocados um do outro, eles podiam medir a magnitude e a direção do OAM das ondas acústicas dos alto-falantes à medida que o anel giratório se estendia.

O Dr. Graham Gibson, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, autor principal do artigo, acrescentou: "Descobrimos que realmente poderíamos gerar ondas acústicas rotacionais rotacionais com deslocamento Doppler negativo que reverteram o OAM da onda, algo que nunca havia sido demonstrado antes – basicamente, poderíamos reverter a torção das ondas acústicas.

"Além disso, poderíamos gerar essas frequências negativas enquanto nosso anel de microfone se estende em velocidades muito baixas, subsônicas, com uma rotação em torno de 25Hz, algo impossível em deslocamentos Doppler lineares."

O Dr. Dave Phillips, da Universidade de Exeter, acrescentou: "É uma descoberta muito interessante, com potencial de aplicação em diversas disciplinas científicas, incluindo a teoria quântica de campos. Estamos ansiosos para continuar explorando as implicações dessas descobertas no futuro."

O artigo da equipe, intitulado 'Reversão do Momento Angular Orbital que surge de um Deslocamento Doppler Extremo', foi publicado no Proceedings of the National Academy of Science.

A pesquisa foi apoiada por financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa, da Academia Real de Engenharia e do Centro EPSRC para Formação Doutoral em Sensoriamento e Medição Inteligente.