Cientistas baseados no Reino Unido e nos EUA demonstraram pela primeira vez como as 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 eles 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 qualquer pessoa que tenha observado uma ambulância passar enquanto soa sua sirene. À medida que a ambulância se aproxima do observador, as ondas sonoras "se acumulam", aumentando a frequência das ondas e, assim, fazendo com que o som da sirene aumente de tom, um processo conhecido pelos cientistas como "desvio para o azul". Assim que a ambulância passa, as ondas sonoras "se esticam", diminuindo sua frequência e diminuindo o tom - um "desvio para o vermelho".

O professor Miles Padgett, da Cátedra Kelvin de Filosofia Natural da Universidade de Glasgow, disse: "Sabemos há algum tempo que coisas estranhas ocorrem 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 o observador agora está se movendo mais rápido do que o som que está ouvindo - o som mais recente que ele faz chegará ao observador à frente daqueles que fez no passado, o oposto de como o som viaja em velocidades subsônicas. "

Seja supersônico ou subsônico, o que o hipotético observador de ambulância está observando é mais propriamente conhecido como efeito Doppler linear, onde as ondas sonoras viajam em linha reta à medida que ocorre o movimento entre o objeto e o observador.

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

Em pesquisas anteriores, os pesquisadores de Glasgow exploraram como o deslocamento Doppler rotacional é afetado quando os campos elétricos e magnéticos da luz recebem uma "torção" no estilo saca-rolhas - uma propriedade conhecida como momento angular orbital, ou "OAM". Seu trabalho mostrou que o OAM da luz do laser é deslocado por Doppler quando atinge uma superfície reflexiva 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 fazer isso, eles organizaram 16 alto-falantes em um círculo, de frente para dois microfones montados em um anel giratório. Ao organizar os microfones ligeiramente deslocados uns dos outros, eles podiam medir a magnitude e o OAM direcional das ondas acústicas dos alto-falantes como o intervalo do anel rotativo.

O Dr. Graham Gibson, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, principal autor do artigo, acrescentou: "Descobrimos que poderíamos de fato gerar ondas acústicas rotacionais negativas com Doppler que reverteram o OAM da onda, algo que não foi demonstrado antes - essencialmente, poderíamos reverter a torção das ondas acústicas.

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

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

O artigo da equipe, intitulado 'Reversão do momento angular orbital decorrente de um deslocamento Doppler extremo', foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Science.

A pesquisa foi apoiada por financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa, da Royal Academy of Engineering e do Centro EPSRC de Treinamento de Doutorado em Sensoriamento e Medição Inteligentes.