Точно както самолетите, които летят със свръхзвукова скорост, създават звукови стрели във формата на конус, светлинните импулси могат да оставят след себе си конусовидни букове на светлина. Сега, супер бърза камера е заснела първото по рода си видео на тези събития.
Новата технология, използвана за правенето на това откритие, един ден би могла да позволи на учените да помогнат да наблюдават невроните в огъня и да представят активност на живо в мозъка, твърдят изследователите.
Наука зад технологиите
Когато един предмет се движи през въздуха, той задвижва въздуха пред него, създавайки вълни под налягане, които се движат със скоростта на звука във всички посоки. Ако обектът се движи със скорост, равна или по-голяма от звука, той изпреварва тези вълни под налягане. В резултат вълните под налягане от тези скоростни обекти се натрупват една върху друга, за да създадат ударни вълни, известни като звукови стрели, които са сходни с гръмотевици.
Звуковите стрели са ограничени до конусни области, известни като "конуси на Мах", които се простират предимно до задната част на свръхзвукови предмети. Подобни събития включват V-образни лъкови вълни, които една лодка може да генерира, когато пътува по-бързо, отколкото вълните, които изтласква от пътя си, да се движат по водата.
Предишни изследвания предполагаха, че светлината може да генерира конусовидни будки, подобни на звуковите стрели. Сега за първи път учените са представили тези неуловими „фотонични конуси на Мах“.
Светлината пътува със скорост около 186 000 мили в секунда (300 000 километра в секунда), когато се движи през вакуум. Според теорията на относителността на Айнщайн нищо не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината във вакуум. Въпреки това, светлината може да пътува по-бавно от максималната си скорост - например, светлината се движи през стъклото със скорост от около 60 процента от нейната максимална. Всъщност предишните експерименти забавиха светлината повече от милион пъти.
Фактът, че светлината може да пътува по-бързо в един материал, отколкото в друг, помогна на учените да генерират фотонични конуси на Мах. Първо, водещият автор на изследването Джинянг Лианг, оптичен инженер от Вашингтонския университет в Сейнт Луис, и неговите колеги проектираха тесен тунел, пълен със суха ледена мъгла. Този тунел беше запечатан между плочи, направени от смес от силиконов каучук и прах от алуминиев оксид.
Тогава изследователите изстреляха импулси от зелена лазерна светлина - всеки с продължителност само 7 пикосекунди (трилиони секунди) - надолу по тунела. Тези импулси биха могли да разпръснат частиците от сух лед в тунела, генерирайки леки вълни, които могат да навлязат в околните плочи.
Зелената светлина, която учените използваха, пътува по-бързо вътре в тунела, отколкото в плочите. Като такъв, докато лазерен импулс се движеше надолу по тунела, той оставя конус от бавно движещи се припокриващи се светлинни вълни зад него в рамките на плочите.
Стрий камера
За да заснемат видео на тези неуловими светлинно разсейващи се събития, изследователите разработиха "касета на касетата", която може да заснема изображения със скорост от 100 милиарда кадъра в секунда при еднократна експозиция. Тази нова камера засне три различни гледни точки на феномена: един, който придоби директен образ на сцената, и два, които записаха времева информация за събитията, така че учените да могат да реконструират случилото се кадър по кадър. По същество те "слагат различни баркодове на всяко отделно изображение, така че дори и по време на събирането на данни да са смесени всички заедно, да можем да ги подредим", каза в интервю Лианг.
Има и други системи за изображения, които могат да заснемат ултрабързи събития, но тези системи обикновено трябва да записват стотици или хиляди експозиции на такива явления, преди да могат да ги видят. За разлика от тях, новата система може да записва ултрабързи събития само с една експозиция. Това се поддава на запис на сложни, непредсказуеми събития, които може да не се повтарят точно по същия начин всеки път, когато се случват, както беше случаят с фотонните конуси Мах, които Лианг и неговите колеги записаха. В този случай мъничките петънца, които разпръснаха светлина, се движеха наоколо на случаен принцип.
Изследователите казаха, че новата им техника може да се окаже полезна при записване на ултрабързи събития в сложен биомедицински контекст като живи тъкани или течаща кръв. "Нашата камера е достатъчно бърза, за да наблюдава невроните да стрелят и да изобразяват трафик на живо в мозъка", казва Лианг пред Live Science. "Надяваме се, че можем да използваме нашата система за изучаване на невронни мрежи, за да разберем как работи мозъкът."
Учените подробно разкриха своите открития онлайн на 20 януари в списанието Science Advances.
Оригинална статия за Live Science.
