Ακριβώς όπως τα αεροσκάφη που πετούν σε υπερηχητικές ταχύτητες δημιουργούν κωνικούς σόνατους βραχίονες, οι παλμοί φωτός μπορούν να αφήσουν πίσω τους κώνοι σε σχήμα φωτός. Τώρα, μια υπερ-γρήγορη κάμερα έχει καταγράψει το πρώτο βίντεο από αυτά τα γεγονότα.
Η νέα τεχνολογία που χρησιμοποιήθηκε για να γίνει αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε μια μέρα να επιτρέψει στους επιστήμονες να βοηθήσουν να παρακολουθήσουν τη φωτιά των νευρώνων και την εικόνα της ζωντανής δραστηριότητας στον εγκέφαλο, λένε οι ερευνητές.
Επιστήμη πίσω από την τεχνολογία
Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσω του αέρα, ωθεί τον αέρα μπροστά του, δημιουργώντας κύματα πίεσης που κινούνται με την ταχύτητα του ήχου προς όλες τις κατευθύνσεις. Αν το αντικείμενο κινείται με ταχύτητες ίσες ή μεγαλύτερες από τον ήχο, ξεπερνά αυτά τα κύματα πίεσης. Ως αποτέλεσμα, τα κύματα πίεσης από αυτά τα αντικείμενα ταχύτητας συσσωρεύονται επάνω το ένα πάνω στο άλλο για να δημιουργήσουν κύματα κρούσεων γνωστά ως ηχητικά βραχίονες, τα οποία μοιάζουν με φώτα της βροντής.
Οι ηχητικές βραχίονες περιορίζονται σε κωνικές περιοχές γνωστές ως "κώνοι Mach" που εκτείνονται κυρίως στο πίσω μέρος των υπερηχητικών αντικειμένων. Παρόμοια γεγονότα περιλαμβάνουν τα κύματα τόξου σχήματος V που μπορεί να δημιουργήσει μια βάρκα όταν ταξιδεύει ταχύτερα από τα κύματα που ωθεί έξω από το δρόμο της να κινηθεί πέρα από το νερό.
Προηγούμενη έρευνα πρότεινε ότι το φως μπορεί να δημιουργήσει κωνικές βόμβες παρόμοιες με τις ηχητικές εκρήξεις. Τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν απεικονίσει αυτά τα αόριστα "φωτονικά κώνους Mach".
Το φως ταξιδεύει με ταχύτητα περίπου 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο (300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο) όταν μετακινείται μέσω κενού. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό. Ωστόσο, το φως μπορεί να ταξιδέψει πιο αργά από την τελική του ταχύτητα - για παράδειγμα, το φως μετακινείται μέσω γυαλιού σε ταχύτητες περίπου 60 τοις εκατό του μέγιστου. Πράγματι, τα προηγούμενα πειράματα έχουν επιβραδύνει το φως κάτω από ένα εκατομμύριο φορές.
Το γεγονός ότι το φως μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα σε ένα υλικό απ 'ότι σε ένα άλλο βοήθησε τους επιστήμονες να δημιουργήσουν φωτονικούς κώνοι Mach. Κατ 'αρχάς, ο συγγραφέας Jinyang Liang, οπτικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σαιντ Λούις, και οι συνεργάτες του σχεδίασαν μια στενή σήραγγα γεμάτη με ομίχλη ξηρού πάγου. Η σήραγγα αυτή περιβλήθηκε μεταξύ των πλακών που αποτελούνται από ένα μίγμα από καουτσούκ σιλικόνης και σκόνη οξειδίου του αργιλίου.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές πυροδότησαν παλμούς πράσινου φωτός λέιζερ - ο καθένας διαρκεί μόνο 7 picoseconds (τρισεκατομμύρια του δευτερολέπτου) - κάτω από τη σήραγγα. Αυτοί οι παλμοί θα μπορούσαν να διασκορπιστούν από τις κηλίδες ξηρού πάγου μέσα στη σήραγγα, δημιουργώντας φως κύματα που θα μπορούσαν να εισέλθουν στις γύρω πλάκες.
Το πράσινο φως που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες ταξίδευε πιο γρήγορα μέσα στη σήραγγα απ 'ότι στις πλάκες. Ως εκ τούτου, καθώς ένας παλμός λέιζερ μετακινήθηκε κάτω από τη σήραγγα, άφησε έναν κώνο από βραδύτερα κινούμενα αλληλεπικαλυπτόμενα φως κύματα πίσω από αυτό μέσα στις πλάκες.
Streak κάμερα
Για να τραβήξουν βίντεο από αυτά τα αόριστα γεγονότα σκέδασης φωτός, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια "κάμερα γραμμών" που θα μπορούσε να καταγράψει εικόνες με ταχύτητες 100 δισεκατομμυρίων καρέ ανά δευτερόλεπτο σε μία και μοναδική έκθεση. Αυτή η καινούρια φωτογραφική μηχανή κατέλαβε τρεις διαφορετικές απόψεις για το φαινόμενο: μία που απέκτησε μια άμεση εικόνα της σκηνής και δύο που κατέγραψαν τις χρονικές πληροφορίες για τα γεγονότα, έτσι ώστε οι επιστήμονες να μπορέσουν να ανακατασκευάσουν αυτό που συνέβη ανά καρέ. Ουσιαστικά, "βάζουν διαφορετικούς γραμμικούς κώδικες σε κάθε εικόνα, έτσι ώστε ακόμα και αν κατά την απόκτηση των δεδομένων όλοι μοιραστούμε μαζί, μπορούμε να τις διαλέξουμε", ανέφερε ο Liang σε συνέντευξή του.
Υπάρχουν και άλλα συστήματα απεικόνισης που μπορούν να συλλάβουν εξαιρετικά γρήγορα γεγονότα, αλλά αυτά τα συστήματα πρέπει συνήθως να καταγράφουν εκατοντάδες ή χιλιάδες εκθέσεις τέτοιων φαινομένων πριν μπορέσουν να τα δουν. Αντίθετα, το νέο σύστημα μπορεί να καταγράψει εξαιρετικά ταχείες εκδηλώσεις με μία μόνο έκθεση. Αυτό μπορεί να καταγράψει σύνθετα, απρόβλεπτα γεγονότα που μπορεί να μην επαναλαμβάνονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο κάθε φορά που συμβαίνουν, όπως συνέβη με τους φωτονικούς κώνους Mach που καταγράφηκαν από τον Liang και τους συναδέλφους του. Στην περίπτωση αυτή, τα μικροσκοπικά στίγματα που διάσπαρτα το φως κινήθηκαν τυχαία.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η νέα τους τεχνική θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη στην καταγραφή εξαιρετικά ταχέων γεγονότων σε σύνθετα βιοϊατρικά πλαίσια, όπως ζωντανοί ιστοί ή ροή αίματος. "Η κάμερά μας είναι αρκετά γρήγορη για να παρακολουθήσουν τη φωτιά των νευρώνων και να απεικονίσουν ζωντανή κυκλοφορία στον εγκέφαλο", δήλωσε ο Liang στην Live Science. «Ελπίζουμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το σύστημά μας για να μελετήσουμε νευρωνικά δίκτυα για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος».
Οι επιστήμονες κατέγραψαν τα ευρήματά τους online στις 20 Ιανουαρίου στο περιοδικό Science Advances.
Αρχικό άρθρο σχετικά με τη ζωντανή επιστήμη.
