Так же, как самолеты, летящие на сверхзвуковых скоростях, создают конические звуковые удары, импульсы света могут оставить следы конусообразных световых волн. Теперь сверхскоростная камера сделала первый в истории видеоролик об этих событиях.
Исследователи утверждают, что однажды новая технология, использованная для создания этого открытия, может позволить ученым помочь наблюдать за тем, как нейроны запускают огонь и отображать активность мозга.
Наука позади технологии
Когда объект движется в воздухе, он выталкивает воздух перед собой, создавая волны давления, которые движутся со скоростью звука во всех направлениях. Если объект движется со скоростью, равной или большей, чем звук, он опережает эти волны давления. В результате волны давления от этих ускоряющихся объектов накапливаются друг над другом, создавая ударные волны, известные как звуковые удары, которые похожи на раскаты грома.
Звуковые удары ограничены коническими областями, известными как «конусы Маха», которые простираются главным образом к задней части сверхзвуковых объектов. Подобные события включают в себя V-образные изогнутые волны, которые лодка может генерировать, путешествуя быстрее, чем волны, которые она отталкивает, движутся по воде.
Предыдущие исследования показали, что свет может генерировать конические следы, похожие на звуковые удары. Теперь ученые впервые представили эти неуловимые «фотонные конусы Маха».
Свет движется со скоростью около 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду) при движении в вакууме. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Тем не менее, свет может двигаться медленнее, чем его максимальная скорость - например, свет проходит через стекло со скоростью около 60 процентов своего максимума. Действительно, предыдущие эксперименты замедлили свет более чем в миллион раз.
Тот факт, что свет может распространяться в одном материале быстрее, чем в другом, помог ученым создать фотонные конусы Маха. Во-первых, ведущий автор исследования Цзиньян Лян, инженер-оптик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и его коллеги спроектировали узкий туннель, заполненный туманом из сухого льда. Этот туннель был зажат между пластинами из смеси силиконового каучука и порошка оксида алюминия.
Затем исследователи выпустили импульсы зеленого лазерного света - каждый длительностью всего 7 пикосекунд (триллионных долей секунды) - по туннелю. Эти импульсы могут рассеять частички сухого льда в туннеле, создавая световые волны, которые могут проникать в окружающие плиты.
Зеленый свет, которым пользовались ученые, проходил внутри туннеля быстрее, чем на пластинах. Таким образом, когда лазерный импульс двигался по туннелю, он оставлял внутри пластин конус медленно движущихся перекрывающихся световых волн.
Полосатая камера
Для захвата видео этих неуловимых светорассеивающих событий исследователи разработали «полосовую камеру», которая могла бы захватывать изображения со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду за одну экспозицию. Эта новая камера сфотографировала три разных изображения этого явления: одно, которое получило прямое изображение сцены, и два, которые записали временную информацию о событиях, чтобы ученые могли реконструировать происходящее кадр за кадром. По сути, они «наносят разные штрих-коды на каждое отдельное изображение, так что даже если во время сбора данных все они будут смешаны вместе, мы сможем их отсортировать», - сказал Лян в интервью.
Существуют другие системы визуализации, которые могут фиксировать сверхбыстрые события, но эти системы обычно должны регистрировать сотни или тысячи воздействий таких явлений, прежде чем они смогут их увидеть. В противоположность этому, новая система может записывать сверхбыстрые события всего за одну экспозицию. Это позволяет регистрировать сложные, непредсказуемые события, которые могут повторяться не всегда одинаково каждый раз, когда они происходят, как это было в случае с фотонными конусами Маха, которые записали Лян и его коллеги. В этом случае крошечные пятнышки, рассеивающие свет, перемещались случайным образом.
Исследователи заявили, что их новая техника может оказаться полезной для записи сверхбыстрых событий в сложных биомедицинских контекстах, таких как живые ткани или текущая кровь. «Наша камера достаточно быстра, чтобы наблюдать, как нейроны стреляют и отображают живой трафик в мозге», - сказал Лян в интервью Live Science. «Мы надеемся, что сможем использовать нашу систему для изучения нейронных сетей, чтобы понять, как работает мозг».
Ученые подробно изложили свои выводы онлайн 20 января в журнале Science Advances.
Оригинальная статья о Live Science.
