Wissenschaftler aus Großbritannien und den USA haben erstmals gezeigt, wie "verdrehte" Schallwellen einer rotierenden Quelle negative Frequenzen erzeugen können, ähnlich wie das Zurückdrehen der Zeit.

Ein Forscherteam der Universitäten Glasgow, Exeter und Illinois Wesleyan berichtet in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science, wie sie ein System gebaut haben, das in der Lage ist, den Drehimpuls einer Schallwelle umzukehren, ohne Überschallgeschwindigkeiten zu benötigen.

Der Dopplereffekt ist jedem vertraut, der einen Krankenwagen vorbeifahren gesehen hat, während er seine Sirene läuten ließ. Als sich der Krankenwagen dem Beobachter nähert, 'häufen' sich die Schallwellen an, erhöhen die Frequenz der Wellen und bewirken so, dass der Sirenenton in Tonhöhe steigt – ein Prozess, den Wissenschaftlern als 'Blueshift' bekannt ist. Sobald der Krankenwagen vorbeigefahren ist, 'dehnen' sich die Schallwellen aus, senken ihre Frequenz und senken die Tonlage – eine 'Rotverschiebung'.

Professor Miles Padgett, Kelvin-Lehrstuhlinhaber für Naturphilosophie an der Universität Glasgow, sagte: "Wir wissen schon seit einiger Zeit, dass seltsame Dinge passieren, wenn der hypothetische Beobachter dem Geräusch einer Krankenwagensirene mit Überschallgeschwindigkeit nachjagt und eine sogenannte 'negative' Frequenz erzeugt.

"Bei diesen Geschwindigkeiten würde der Beobachter das Geräusch der Sirene rückwärts hören, statt des vertrauten, sich wiederholenden Auf- und Abstiegs, weil der Beobachter sich jetzt schneller bewegt als das Geräusch, das er hört – das jüngste Geräusch, das es macht, erreicht den Beobachter vor denen, die er früher gemacht hat, das Gegenteil davon, wie Schall sich mit Unterschallgeschwindigkeit ausbreitet."

Ob Überschall- oder Unterschall-Effekt, was der hypothetische Rettungsdienstbeobachter beobachtet, ist korrekt als linearer Dopplereffekt bekannt, bei dem sich die Schallwellen in einer geraden Linie ausbreiten, während sich zwischen Objekt und Beobachter Bewegung bewegt.

1981 demonstrierte ein Chemiker namens Bruce Garetz erstmals den Rotations-Dopplereffekt, bei dem Frequenzverschiebungen auftreten, wenn elektromagnetische Wellen (in diesem Fall Lichtwellen) sich in einem Kreis um einen einzelnen Fixpunkt bewegen. Im Gegensatz zu linearen Dopplerverschiebungen wurde nicht gezeigt, dass rotative Dopplerverschiebungen negative Frequenzen erzeugen, da es keine Bewegung zwischen Objekt und Beobachter gibt.

In früheren Forschungen haben Forscher aus Glasgow untersucht, wie die Rotations-Dopplerverschiebung beeinflusst wird, wenn die elektrischen und magnetischen Felder des Lichts mit einer Korkenzieher-ähnlichen "Verdrehung" versehen werden – eine Eigenschaft, die als Orbitaldrehimpuls oder "OAM" bekannt ist. Ihre Arbeit zeigte, dass das OAM von Laserlicht Doppler-verschoben ist, wenn es auf eine rotierende reflektierende Oberfläche trifft, und Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit der Oberfläche überträgt.

In ihrer neuen Forschung entschieden sie sich, zu untersuchen, wie der OAM von Schallwellen durch Rotation beeinflusst wird. Dazu stellten sie 16 Lautsprecher in einen Kreis an, die zwei Mikrofone anzeigten, die an einem rotierenden Ring montiert waren. Indem sie die Mikrofone sehr leicht voneinander versetzt angeordneten, konnten sie die Stärke und Richtung der OAM der akustischen Wellen der Lautsprecher als rotierende Ringspanne messen.

Dr. Graham Gibson von der School of Physics and Astronomy der Universität Glasgow, Hauptautor des Artikels, fügte hinzu: "Wir fanden heraus, dass wir tatsächlich negativ rotierende, Doppler-verschobene akustische Wellen erzeugen konnten, die die OAM der Welle umkehrten, was bisher nicht nachgewiesen wurde – im Wesentlichen konnten wir die Verdrehung der akustischen Wellen umkehren.

"Außerdem könnten wir diese negativen Frequenzen erzeugen, während unser Mikrofonring bei sehr niedrigen, subsonischen Geschwindigkeiten und einer Rotationsrate von etwa 25 Hz spannt, etwas, das bei linearen Dopplerverschiebungen unmöglich ist."

Dr. Dave Phillips von der Universität Exeter fügte hinzu: "Es ist ein sehr interessanter Befund mit potenziellen Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Quantenfeldtheorie. Wir sind bestrebt, die Auswirkungen der Ergebnisse auch in Zukunft weiter zu untersuchen."

Die Arbeit des Teams mit dem Titel "Reversal of Orbital Angular Impulsum arising from an Extreme Doppler Shift" ist in den Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht.

Die Forschung wurde durch Mittel des Europäischen Forschungsrats, der Royal Academy of Engineering und des EPSRC Centre for Doctoral Training in Intelligent Sensing and Measurement unterstützt.