Так само, як літаки, що летять із надзвуковою швидкістю, створюють звукову стрілу у формі конуса, світлові імпульси можуть залишати позаду конусоподібні пробудження світла. Тепер надшвидка камера зняла перше в історії відео цих подій.
Нова технологія, що використовується для цього відкриття, може одного дня дозволити вченим допомагати спостерігати за тим, як нейрони вистрілюють і знімають живу активність у мозку, вважають дослідники.
Наука за технологією
Коли об’єкт рухається повітрям, він виштовхує повітря перед собою, створюючи хвилі тиску, які рухаються зі швидкістю звуку в усі сторони. Якщо об’єкт рухається зі швидкістю, рівною або більшою, ніж звук, він випереджає ці хвилі тиску. В результаті хвилі тиску від цих швидкоплинних об'єктів накопичуються одна над одною, створюючи ударні хвилі, відомі як звукові бури, схожі на плескання грому.
Сонічні стріли приурочені до конічних областей, відомих як "конуси Маха", які розповсюджуються в основному на тильну сторону надзвукових предметів. Подібні події включають V-подібні лукові хвилі, які човен може генерувати, подорожуючи швидше, ніж хвилі, які він виштовхує зі свого шляху, рухатися по воді.
Попередні дослідження припускали, що світло може генерувати конічні пробудження, схожі на звукові бури. Зараз вперше вчені уявили ці невловимі "фотонні конуси Маха".
Світло рухається зі швидкістю близько 186 000 миль в секунду (300 000 кілометрів в секунду) під час руху через вакуум. Згідно теорії відносності Ейнштейна, ніщо не може подорожувати швидше, ніж швидкість світла у вакуумі. Однак світло може рухатися повільніше, ніж його максимальна швидкість - наприклад, світло рухається через скло зі швидкістю близько 60 відсотків від його максимальної. Дійсно, попередні експерименти уповільнили світло більш ніж на мільйон разів.
Те, що світло може рухатися швидше в одному матеріалі, ніж в іншому, допомогло вченим генерувати фотонні конуси Маха. По-перше, провідний автор дослідження Джиньян Лянг, оптичний інженер з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, та його колеги спроектували вузький тунель, наповнений сухим льодом. Цей тунель був просочений між плитами, виготовленими із суміші силіконового каучуку та порошку оксиду алюмінію.
Потім дослідники випустили імпульси зеленого лазерного світла - кожен тривав всього 7 пікосекунд (трильйони секунди секунди) - по тунелю. Ці імпульси могли розсіяти плями сухого льоду всередині тунелю, генеруючи легкі хвилі, які могли проникати в навколишні пластини.
Зелене світло, яке використовували вчені, проходило швидше всередині тунелю, ніж це було в плитах. Таким чином, коли лазерний імпульс рухався вниз по тунелі, він залишав за собою конус повільно рухливих легких хвиль, що перекриваються, всередині пластин.
Стрічка камери
Для зйомки відео цих невловимих подій, що розсіюються світлом, дослідники розробили "смугову камеру", яка могла б знімати зображення зі швидкістю 100 мільярдів кадрів в секунду за одну експозицію. Ця нова камера відзняла три різні погляди на явище: один, який набув прямого зображення сцени, і два, який записував тимчасову інформацію про події, щоб вчені могли реконструювати те, що сталося кадром за кадром. По суті, вони "ставлять різні штрих-коди на кожне окреме зображення, так що навіть якщо під час збору даних вони будуть змішані разом, ми можемо їх розібрати", - сказав Лян в інтерв'ю.
Є й інші системи візуалізації, які можуть фіксувати надшвидкі події, але цим системам зазвичай потрібно записати сотні чи тисячі експозицій таких явищ, перш ніж вони зможуть їх побачити. На відміну від цього, нова система може записувати надшвидкі події лише з однією експозицією. Це піддається запису складних, непередбачуваних подій, які можуть не повторюватися точно так само щоразу, як це відбувається, як це було у випадку з фотонними конусами Маха, які записали Лян та його колеги. У цьому випадку крихітні цятки, які розсіяли світло, рухалися навмання.
Дослідники заявили, що їх нова методика може виявитися корисною для запису надшвидких подій у складних біомедичних контекстах, таких як живі тканини або тече кров. "Наша камера достатньо швидка, щоб спостерігати, як нейрони вистрілюють і зображують живий трафік у мозку", - сказав Лян в Live Science. "Ми сподіваємось, що зможемо використовувати нашу систему для вивчення нейронних мереж, щоб зрозуміти, як працює мозок".
Вчені детально розкрили свої висновки в Інтернеті 20 січня в журналі Science Advances.
Оригінальна стаття про Live Science.
