Учёные из Великобритании и США впервые продемонстрировали, как «искаженные» звуковые волны от вращающегося источника могут создавать отрицательные частоты, аналогично возвращению времени назад.
Команда исследователей из университетов Глазго, Эксетера и Иллинойсского университета Уэслиана в журнале Proceedings of the National Academy of Science рассказывает, как они создали систему, способную обратить угловой момент звуковой волны без необходимости сверхзвуковых скоростей.
Эффект Доплера — знакомое явление каждому, кто видел, как мимо проезжает скорая помощь, зажигая сирену. Когда скорая помощь приближается к наблюдателю, звуковые волны «накапливаются», повышая частоту волн и, соответственно, повышая высоту звука сирены — процесс, известный учёным как «синий сдвиг». Когда скорая проезжает, звуковые волны «растягиваются», снижая частоту и снижая высоту — это «красное смещение».
Профессор Майлз Пэджетт, профессор кафедры естественной философии Кельвина Глазговского университета, сказал: «Мы уже давно знаем, что странные вещи происходят, когда гипотетический наблюдатель гонится за звуком, исходящим от сирены скорой помощи на сверхзвуковой скорости, и создаёт то, что можно назвать "отрицательной" частотой.
«При таких скоростях наблюдатель услышит звук сирены назад, а не привычный повторяющийся подъём и падение, потому что теперь наблюдатель движется быстрее, чем звук, который он слышит — самый свежий звук достигнет наблюдателя раньше, чем те, что он издавал раньше, в противоположность тому, как звук распространяется на дозвуковой скорости.»
Будь то сверхзвуковой или дозвуковой, то, что наблюдает гипотетический наблюдатель скорой помощи, правильнее называется линейным эффектом Доплера, когда звуковые волны движутся по прямой линии в процессе движения между объектом и наблюдателем.
В 1981 году химик Брюс Гарец впервые продемонстрировал эффект вращательного Доплера, когда частотные сдвиги происходят, когда электромагнитные волны (в данном случае световые волны) движутся по кругу вокруг одной неподвижной точки. В отличие от линейных доплеровских сдвигов, вращательные доплеровские сдвиги не были показаны способностью генерировать отрицательные частоты, поскольку между объектом и наблюдателем нет движения.
В предыдущих исследованиях исследователи из Глазго изучали, как вращательный доплеровский сдвиг влияет на то, что электрические и магнитные поля света получают «скручивание» в стиле штопора — свойство, известное как орбитальный угловой момент или «OAM». Их работа показала, что OAM лазерного света смещается по Доплерову при попадании на вращающуюся отражающую поверхность и содержит информацию о скорости вращения поверхности.
В своём новом исследовании они решили изучить, как OAM звуковых волн влияет на вращение. Для этого они разместили 16 громкоговорителей в круг, лицом к двум микрофонам, установленным на вращающемся кольце. Размещая микрофоны с минимальным смещением друг от друга, они могли измерять величину и направленное OAM акустических волн от громкоговорителей в диапазоне вращающегося кольца.
Доктор Грэм Гибсон из Школы физики и астрономии Глазговского университета, один из основных авторов статьи, добавил: «Мы обнаружили, что действительно можем генерировать отрицательные ротационные акустические волны с доплеровским сдвигом, которые меняют OAM волны, что ранее не было доказано — по сути, мы можем обратить обратное скручивание акустических волн.
«Более того, мы могли бы генерировать эти отрицательные частоты, пока наше кольцо микрофона распространяется на очень низких дозвуковых скоростях, с частотой вращения около 25 Гц, что невозможно при линейных доплеровских сдвигах.»
Доктор Дэйв Филлипс из Университета Эксетера добавил: «Это очень интересное открытие, с потенциальным применением в ряде научных дисциплин, включая квантовую теорию поля. Мы стремимся продолжить изучение последствий этих результатов в будущем.»
Статья команды под названием «Обращение орбитального углового импульса, возникающего вследствие экстремального доплеровского сдвига» опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Science.
Исследование было поддержано финансированием Европейского исследовательского совета, Королевской инженерной академии и Центра докторской подготовки EPSRC по интеллектуальному сенсорному и измерению.