Os sons imposíbeis da física teórica

En ocasións a observación dun fenómeno precede á explicación teórica; primeiro vemos caer a mazá, e entón razoamos ¿cómo?. Pero na ciencia actual a maioría das veces a teoría, gracias á solidez das matemáticas e do método científico, se adianta, e é capaz de predecir a existencia de sustancias ou comportamentos aínda non observados. Neste segundo caso, a función dos científicos non é explicar un fenómeno, senón atopalo. O efecto Doppler forma parte do noso mundo sonoro cotiá, pero non así o chamado efecto Doppler inverso, que foi predito en 1943 e ven de ser observado no laboratorio por primeira vez.

Vou pitando
Todos temos experimentado o efecto Doppler nas ondas sonoras cada vez que un coche pasa a gran velocidade ao noso lado: ¡fiiiiiiuuummmm!. ¿Por qué ocorre así? No século IXX, o matemático e físico austríaco Christian Doppler estudiou a relación entre a fonte de son e o observador, e deduciu que a frecuencia das ondas (neste exemplo, sonoras) é relativa, e depende da velocidade da fonte respecto ao observador. A medida que o coche se achega a nós, as ondas sonoras son comprimidas na parte de diante, polo que aumenta a súa frecuencia (hai máis ondas por unidade de tempo) e escoitamos un son máis agudo (fiiiiii...) que no caso de que o coche estivera parado. Pola contra, no son emitido cara á parte de atrás do coche os intervalos entre as ondas aumentan, diminuíndo a frecuencia e creando un son máis grave (...uuummmm).

Máis rápido que o son
Nas condicións en que a maioría de nós experimentamos o efecto Doppler, a velocidade da fonte (coche, moto, tren, etc) é menor ca velocidade do son (uns 1.200 Km/h), polo que as ondas sonoras, aínda que apertadas, van por diante do artefacto que as produce (por eso escoitamos a bucina do coche antes de que chegue á nosa altura). Pero hai avións e outros enxeños que poder moverse a máis de 1200 Km/h, ¿qué pasa neses casos? Se a velocidade da fonte é a mesma ca do son (isto se chama “Mach 1”), ningunha onda sonora pode ir por diante de, por exemplo, o avión que as produce: estamos a punto de romper “a barreira do son”. As ondas do ruxir dos motores se acumulan na punta da aeronave, pero non poden expandirse cara adiante e forman as chamadas ondas de choque. Isto ten varias consecuencias moi interesantes: unha delas é que será imposible escoitar o avión ata que xa este enriba das nosas testas; e cando esto ocorra, escoitaremos todas esas ondas de súpeto, como se fose unha explosión. Se o piloto pisa un pouco máis o acelerador, o avión comezará a ir máis rápido que o seu propio son, a unha velocidade supersónica. Por exemplo, se a velocidade do avión é o dobre ca do son (Mach 2), dende o noso punto de observación na terra veremos ao avión achegarse e pasar por diante de nos...en absoluto silencio. So uns instantes despois escoitaremos a onda de choque.

Luces movedizas
O efecto Doppler ocorre con todas as ondas, non so coas sonoras. Os colores que percibimos dependen da frecuencia das ondas de luz: nun dos extremos do espectro visible está a cor azul, que se debe a ondas de frecuencia alta se as comparamos coas ondas de menor frecuencia que dan lugar ao vermello, no outro extremo. Se unha luz se acerca a toda velocidade cara a nós, a frecuencia das ondas que van por diante aumenta e a luz se fai un pouco máis azul (desprazamento cara ao azul), mentres que se a fonte de luz se afasta a luz se fará máis vermella (desprazamento cara ao vermello). A velocidade da luz e moito maior ca do son, uns 300.000 Km/s, polo que para percibir o efecto Doppler a fonte de luz ten que moverse a velocidades realmente altas. Na vida diaria, os subsónicos seres humanos non experimentamos esas velocidades, pero en astronomía o efecto Doppler da luz se utiliza a cotío. De feito, un dos grandes descubrimentos da ciencia do século XX ten que ver con esto. Nos anos vinte, o astrónomo norteamericano Edwin Hubble demostrou que as estrelas e galaxias se están afastando da Terra cunha velocidade proporcional á súa distancia: o Universo está en expansión. Hubble estudiou a luz que recibimos dos astros e puido coñecer a súa velocidade gracias ao efecto Doppler: observou, en todos os casos, un desprazamento cara ao vermello. Este foi o principio da teoría do Big-Bang.

Creando ondas ao revés
¿Qué pensariades se o coche que pasa ao voso lado fai un son do estilo ¡uuummmmfiiiiii! en lugar do familiar ¡fiiiiiiuuummmm!? O efecto Doppler ao revés, en teoría, é posible, ou eso veñen dicindo os físicos dende o ano 1943. Para que iso ocorra, as ondas teñen que viaxar a través dun medio cunha rara propiedade chamada dispersión anómala, que modifica a relación entre as ondas e a súa enerxía. Agora sabemos que é certo, porque uns científicos británicos o acaban de experimentar no laboratorio. Para elo fixeron pasar ondas electromagnéticas a través dun aparato electrónico no cal foron capaces de crear un material con dispersión anómala.

No efecto Doppler inverso a relación entre a frecuencia das ondas e o movemento da fonte é xusto a inversa que no efecto Doppler común, algo que precisamente resulta contrario ao sentido común. Cando os científicos pasan tanto tempo buscando algo debe ser que non se trata dun fenómeno moi habitual na natureza, sen embargo, este descubrimento pode resultar moi útil, xa que estas recén nacidas ondas electromagnéticas se poden utilizar para fabricar novos aparatos de medición (en medicina, enxeñería, etc) e de transmisión de datos (tecnoloxías da información).

Hai moitas máis teorías que agardan polo seu veredicto. O dedo gordo do emperador da ciencia experimental reforzará ou rexeitará a teoría, todo depende de cómo se porte no mundo físico. Nisto consiste o proceso de creación científica, en xerar unha hipótese e comprobar experimentalmente a súa validez. Unha boa teoría se caracteriza pola súa capacidade de predicción.

BIBLIOGRAFÍA E LIGAZÓNS

N. Seddon e T. Bearpark. Observation of the inverse Doppler effect. Science, 302: 1537-1540, 2003.

PhysicsWeb

Experimenta co efecto Doppler
http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/Doppler/Doppler.html