Wetenschappers hebben voor het eerst aangetoond hoe 'verdraaide' geluidsgolven van een roterende bron negatieve frequenties kunnen produceren - vergelijkbaar met het terugdraaien van de tijd.

Een team van internationale onderzoekers, waaronder natuurkundigen van de Universiteit van Exeter, hebben een systeem gebouwd dat het impulsmoment van een geluidsgolf kan omkeren door het vanuit een roterend frame te observeren.

De studie, waartoe ook wetenschappers van de universiteiten van Glasgow en Illinois Wesleyan in de VS behoren, is gepubliceerd in tijdschrift Proceedings van de National Academy of Science .

Het Doppler-effect is een bekend fenomeen voor iedereen die een ambulance voorbij heeft zien komen terwijl de sirene loeide.

Terwijl de ambulance de waarnemer nadert, de geluidsgolven 'stapelen zich op', het verhogen van de frequentie van de golven en zo het geluid van de sirene in toonhoogte doen stijgen, een proces dat bij wetenschappers bekend staat als een 'blauwverschuiving'. Zodra de ambulance voorbij is, strekken de geluidsgolven zich uit, hun frequentie verlagen en de toonhoogte verlagen - bekend als 'roodverschuiving'.

Professor Miles Padgett, de Kelvin Chair of Natural Philosophy van de University of Glasgow, zei:"We weten al een tijdje dat er vreemde dingen gebeuren wanneer de hypothetische waarnemer achter het geluid van een ambulancesirene aanjaagt met supersonische snelheden en creëert wat we een 'negatieve' frequentie zouden kunnen noemen.

"Bij die snelheden de waarnemer zou het geluid van de sirene achterstevoren horen, omdat de waarnemer nu sneller beweegt dan het geluid dat hij hoort - het meest recente geluid dat het maakt, zal de waarnemer eerder bereiken dan het geluid dat het in het verleden maakte, het tegenovergestelde van hoe geluid reist met subsonische snelheden."

Of het nu supersonisch of subsonisch is, wat de hypothetische ambulancewachter waarneemt, staat beter bekend als het lineaire Doppler-effect, waar de geluidsgolven zich in een rechte lijn voortbewegen als beweging plaatsvindt tussen object en waarnemer.

In 1981, een chemicus genaamd Bruce Garetz demonstreerde voor het eerst het roterende Doppler-effect, waar frequentieverschuivingen optreden wanneer elektromagnetische golven (in dit geval lichtgolven) in een cirkel rond een enkel vast punt bewegen. In tegenstelling tot lineaire Doppler-verschuivingen, het is niet aangetoond dat roterende Doppler-verschuivingen negatieve frequenties genereren, omdat er geen beweging is tussen het object en de waarnemer.

In eerder onderzoek is Glasgow-onderzoekers hebben onderzocht hoe de roterende Doppler-verschuiving wordt beïnvloed wanneer de elektrische en magnetische velden van licht een kurkentrekker-achtige 'draai' krijgen - een eigenschap die bekend staat als het orbitale impulsmoment, of 'OAM'. Hun werk toonde aan dat de OAM van laserlicht Doppler-verschoven is wanneer het een roterend reflecterend oppervlak raakt, en bevat informatie over de rotatiesnelheid van het oppervlak.

In hun nieuwe onderzoek ze kozen ervoor om te onderzoeken hoe de OAM van geluidsgolven wordt beïnvloed door rotatie. Om dit te doen, ze plaatsten 16 luidsprekers in een cirkel, tegenover twee microfoons gemonteerd op een roterende ring. Door de microfoons heel lichtjes ten opzichte van elkaar te plaatsen, ze konden de grootte en directionele OAM van akoestische golven uit de luidsprekers meten als de roterende ringspanwijdte.

Dr. Dave Philips, van de Universiteit van Exeter, toegevoegd:"Het is een zeer interessante bevinding, met mogelijke toepassingen in een reeks wetenschappelijke disciplines, waaronder de algemene relativiteitstheorie. We willen graag de implicaties van de bevindingen in de toekomst blijven onderzoeken."

Dr. Graham Gibson van de School of Physics and Astronomy van de Universiteit van Glasgow, een hoofdauteur van het artikel, toegevoegd:"We ontdekten dat we inderdaad negatieve, roterende Doppler-verschoven akoestische golven konden genereren die de OAM van de golf omkeren, dat is iets dat nog niet eerder is aangetoond - in wezen, we zouden de draaiing van de akoestische golven kunnen omkeren.

"Bovendien, we kunnen die negatieve frequenties genereren terwijl onze microfoonring zeer laag overspant, subsonische snelheden, met een rotatiesnelheid van ongeveer 25 Hz, iets dat onmogelijk is in lineaire Doppler-verschuivingen."

De krant van het team, getiteld 'Omkering van orbitaal hoekmomentum als gevolg van een extreme dopplerverschuiving', is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Science .