Ученым впервые удалось заснять на видео сверхзвуковые волны света
Сверхбыстрая камера в первый раз захватила "сверхзвуковые волны" света. Это открытие может позволить ученым получить изображения живой активности в головном мозге.
Подобно тому, как самолеты, летающие на сверхзвуковых скоростях создают конусообразные звуковые удары, импульсы света могут оставить позади конусообразные следы света. Теперь, сверхбыстрая камера захватила первое в мире видео этого явления. Это открытие может однажды позволить ученым посмотреть на нейроны огня и живой активности в головном мозге, говорят исследователи.
Когда объект движется через воздух, он разгоняет 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 обгоняет эти волны давления. В результате волны давления от этих объектов превышают скорости, чтобы создать ударные волны, известные как звуковые удары, которые являются родственными ударам грома.
Сверхзвуковые хлопки ограничены коническими областями, известными, которые простираются в основном на задней части сверхзвуковых объектов. Подобные мероприятия включают в себя V-образные радужные волны, которые лодка может генерировать при движении быстрее, чем волны.
Свет движется со скоростью около 186,000 миль в секунду (300,000 километров в секунду) при перемещении через вакуум. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Тем не менее, свет может путешествовать медленнее, чем его максимальная скорость - например, свет движется через стекло со скоростью около 60 процентов от своего максимума. Действительно, предыдущие эксперименты замедлили свет более чем в миллион раз.
Тот факт, что свет может двигаться быстрее в одном материале, чем в другом, помог ученым создать фотонные конусы Маха. Во-первых, ведущий автор исследования Джинанг Лян, оптический инженер в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, и его коллеги, разработали узкий туннель, заполненный сухим льдом. Этот туннель был зажат между пластинами из смеси силиконового каучука и порошка оксида алюминия.
Затем исследователи произвели импульсы зеленого лазерного света - каждый из которых длится всего 7 пикосекунд (одна триллионных секунды) - вниз по туннелю. Эти импульсы могли разбросать от пятнышек сухого льда в туннеле, создавая световые волны, которые могут войти в окружающие пластины. Зеленый свет, который использовали ученые, путешествовали быстрее внутри туннеля, чем это было в пластинах. Таким образом, лазерный импульс перемещается вниз по туннелю, и оставляет конус медленнее движущихся пересекающихся световых волн в пластинах.
Для захвата видео этих неуловимых светорассеивающих событий, исследователи разработали "фотохронограф", который может захватывать изображения со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду в одной экспозиции. Эта новая камера захватила три различных вида этого явления: один, который приобрел прямое изображение сцены, и два, которые записали временную информацию о событиях, чтобы ученые смогли воссоздать то, что произошло, кадр за кадром.
По существу, они "положили различные штрих-коды на каждое отдельное изображение, так что даже если во время сбора данных они все были смешаны вместе, мы сможем разобраться с ними", сказал Лян в интервью. Существуют и другие системы визуализации, которые могут захватывать сверхбыстрые события, но этим системам, как правило, нужно записать сотни или тысячи воздействий таких явлений, прежде чем они смогут увидеть их. В противоположность этому, новая система может записывать сверхбыстрые события с помощью всего одной экспозиции.
Исследователи заявили, что их новый метод может оказаться полезным при записи сверхбыстрых событий в сложных медико-биологических контекстах, таких как живые ткани или перемещение крови. "Наша камера достаточно быстрая, чтобы наблюдать нейроны огня и изображения живого трафика в головном мозге. Мы надеемся, что мы можем использовать нашу систему для изучения нейронных сетей, чтобы понять, как работает мозг", - сказал Лян.
