Forskare baserade i Storbritannien och USA har för första gången visat hur "vridna" ljudvågor från en roterande källa kan producera negativa frekvenser, analogt med att vrida tillbaka tiden.
Ett team av forskare från universiteten i Glasgow, Exeter och Illinois Wesleyan rapporterar i tidskriften Proceedings of the National Academy of Science hur de har byggt ett system som kan vända rörelsemängdsmomentet hos en ljudvåg utan behov av överljudshastigheter.
Dopplereffekten är ett välbekant fenomen för alla som har observerat en ambulans passera medan den låter sirenen. När ambulansen närmar sig observatören "hopar sig ljudvågorna", vilket höjer vågornas frekvens och därmed får ljudet från sirenen att stiga i tonhöjd, en process som forskarna kallar en "blåförskjutning". När ambulansen passerar "sträcker sig ljudvågorna" ut, sänker sin frekvens och sänker tonhöjden – en "rödförskjutning".
Professor Miles Padgett, Kelvin Chair of Natural Philosophy vid University of Glasgow, säger: "Vi har vetat ett tag nu att konstiga saker inträffar när den hypotetiska observatören jagar efter ljudet som avges från en ambulanssiren i överljudshastighet och skapar vad vi skulle kunna kalla en 'negativ' frekvens.
"Vid dessa hastigheter skulle observatören höra ljudet av sirenen baklänges istället för den välbekanta repetitiva höjningen och sänkningen, eftersom observatören nu rör sig snabbare än det ljud de hör – det senaste ljudet den gör kommer att nå observatören före de ljud den gjorde i det förflutna, motsatsen till hur ljud färdas i underljudshastigheter."
Oavsett om det är i överljudsfart eller subsoniskt är det som den hypotetiska ambulansobservatören observerar mer korrekt känt som den linjära dopplereffekten, där ljudvågorna färdas i en rak linje när rörelse sker mellan objekt och observatör.
År 1981 demonstrerade en kemist vid namn Bruce Garetz för första gången den roterande dopplereffekten, där frekvensförskjutningar uppstår när elektromagnetiska vågor (i detta fall ljusvågor) rör sig i en cirkel runt en enda fast punkt. Till skillnad från linjära dopplerskift har rotationsdopplerskift inte visat sig generera negativa frekvenser, eftersom det inte finns någon rörelse mellan objektet och observatören.
I tidigare forskning har forskare i Glasgow undersökt hur den roterande dopplerförskjutningen påverkas när ljusets elektriska och magnetiska fält får en korkskruvsliknande "vridning" – en egenskap som kallas orbital angular momentum, eller "OAM". Deras arbete visade att laserljusets OAM är dopplerskiftat när det träffar en roterande reflekterande yta och bär information om ytans rotationshastighet.
I sin nya forskning valde de att undersöka hur ljudvågornas OAM påverkas av rotation. För att göra det arrangerade de 16 högtalare i en cirkel, vända mot två mikrofoner monterade på en roterande ring. Genom att placera mikrofonerna mycket lite förskjutna från varandra kunde de mäta storleken och riktningen OAM för akustiska vågor från högtalarna som den roterande ringspannet.
Dr Graham Gibson vid University of Glasgow's School of Physics and Astronomy, en av huvudförfattarna till artikeln, tillade: "Vi fann att vi faktiskt kunde generera negativa roterande dopplerförskjutna akustiska vågor som vände vågens OAM, vilket är något som inte har visats tidigare – i huvudsak kunde vi vända vridningen av de akustiska vågorna.
"Dessutom skulle vi kunna generera de negativa frekvenserna medan vår mikrofons ring spänner över mycket låga, subsoniska hastigheter, med en rotationshastighet på cirka 25 Hz, något som är omöjligt vid linjära dopplerskift."
Dr Dave Phillips, vid University of Exeter, tillägger: "Det är ett mycket intressant fynd, med potentiella tillämpningar inom en rad vetenskapliga discipliner, inklusive kvantfältteori. Vi är angelägna om att fortsätta utforska konsekvenserna av resultaten i framtiden.
Forskarnas artikel, med titeln "Reversal of Orbital Angular Momentum arising from an Extreme Doppler Shift", är publicerad i Proceedings of the National Academy of Science.
Forskningen har finansierats av Europeiska forskningsrådet, Royal Academy of Engineering och EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement.