Gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta come le onde sonore "contorte" da una sorgente rotante possono produrre frequenze negative, come tornare indietro nel tempo.

Un team di ricercatori internazionali, compresi i fisici dell'Università di Exeter, hanno costruito un sistema in grado di invertire il momento angolare di un'onda sonora osservandola da un telaio rotante.

Lo studio, che comprende anche scienziati delle Università di Glasgow e Illinois Wesleyan negli Stati Uniti, è pubblicato su rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

L'effetto Doppler è un fenomeno familiare a chiunque abbia visto passare un'ambulanza mentre suonava la sua sirena.

Mentre l'ambulanza si avvicina all'osservatore, le onde sonore si "accumulano", alzando la frequenza delle onde e facendo così aumentare di tono il 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 – noto come 'redshift'.

Professor Miles Padgett, la cattedra di filosofia naturale Kelvin dell'Università di Glasgow, ha dichiarato:"Sappiamo da un po' 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 chiamare una frequenza 'negativa'.

"A quelle velocità, l'osservatore sentirebbe il suono della sirena al contrario, perché l'osservatore ora si sta muovendo più velocemente del suono che sta sentendo - il suono più recente che emette raggiungerà l'osservatore prima di quelli che ha prodotto 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, dove le onde sonore viaggiano in linea retta mentre si verifica il movimento tra l'oggetto e l'osservatore.

Nel 1981, un chimico di nome Bruce Garetz dimostrò per la prima volta l'effetto Doppler rotazionale, dove si verificano spostamenti di frequenza quando le onde elettromagnetiche (in questo caso le onde luminose) si muovono in un 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 rotazionale Doppler è 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 mostrato che l'OAM della luce laser viene 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. Fare così, 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, potevano misurare l'ampiezza e l'OAM direzionale delle onde acustiche dagli altoparlanti come l'ampiezza dell'anello rotante.

Dottor Dave Phillips, dell'Università di Exeter, ha aggiunto:"È una scoperta molto interessante, con potenziali applicazioni in una vasta gamma di discipline scientifiche inclusa la relatività generale. Siamo ansiosi di continuare a esplorare le implicazioni dei risultati in futuro".

Dr. Graham Gibson della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow, uno dei principali autori dell'articolo, ha aggiunto:"Abbiamo scoperto che potremmo effettivamente generare onde acustiche rotazionali negative spostate dal Doppler che hanno invertito l'OAM dell'onda, che è qualcosa che non è stato dimostrato prima – essenzialmente, potremmo invertire la torsione delle onde acustiche.

"Inoltre, potremmo generare quelle frequenze negative mentre il nostro anello del microfono si estende a un livello molto basso, velocità subsoniche, con una velocità di rotazione di circa 25Hz, qualcosa che è impossibile negli spostamenti Doppler lineari."

La carta della squadra, intitolato "Inversione del momento angolare orbitale derivante da un estremo spostamento Doppler", è pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .