Cientistas baseados no Reino Unido e nos EUA demonstraram pela primeira vez como ondas sonoras "torcidas" de uma fonte em rotação 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 quem já observou 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 suba de tom, um processo conhecido pelos cientistas como "blueshift". Assim que a ambulância passa, as ondas sonoras "se esticam", baixando sua frequência e soltando o tom – um "redshift".

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 podemos chamar de frequência 'negativa'.

"Nessas velocidades, o observador ouviria o som da sirene para trás em vez do familiar sobe e desce repetitivo, 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 ele 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 estão viajando em linha reta à medida que o movimento ocorre entre o objeto e o observador.

Em 1981, um químico chamado Bruce Garetz demonstrou pela primeira vez o efeito Doppler rotacional, onde mudanças de frequência ocorrem quando ondas eletromagnéticas (neste caso, ondas de luz) se movem em um círculo em torno de um único ponto fixo. Ao contrário dos deslocamentos lineares do Doppler, os deslocamentos do Doppler rotacional não demonstraram gerar frequências negativas, uma vez 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 uma "torção" no estilo saca-rolhas – uma propriedade conhecida como momento angular orbital, ou "OAM". Seu trabalho mostrou que a OAM da luz laser é deslocada por Doppler quando atinge uma superfície reflexiva em rotação e carrega informações sobre a taxa de rotação da superfície.

Em sua nova pesquisa, eles optaram por explorar como a OAM das ondas sonoras é afetada pela rotação. Para isso, eles organizaram 16 alto-falantes em círculo, de frente para dois microfones montados em um anel giratório. Ao organizar os microfones muito ligeiramente deslocados uns dos outros, eles podiam medir a magnitude e a OAM direcional das ondas acústicas dos alto-falantes à medida que o anel giratório se estende.

O Dr. Graham Gibson, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, um dos principais autores do artigo, acrescentou: "Descobrimos que poderíamos realmente gerar ondas acústicas com Doppler rotacional negativo que revertiam a OAM da onda, o que é 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 estendia a velocidades subsônicas muito baixas, com uma taxa de rotação de cerca de 25Hz, algo que é impossível em deslocamentos lineares do Doppler."

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 extremo do Doppler", 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 EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement.