Ligesom fly, der flyver i supersoniske hastigheder, skaber kegleformede soniske bommer, kan lysimpulser efterlade kegleformede vågne lys. Nu har et superhurtigt kamera taget den første nogensinde video af disse begivenheder.
Den nye teknologi, der bruges til at opdage denne opdagelse, kunne en dag give forskere mulighed for at hjælpe med at se neuroner affyring og image live aktivitet i hjernen, siger forskere.
Videnskab bag teknologien
Når en genstand bevæger sig gennem luft, fremdriver den luften foran sig væk og skaber trykbølger, der bevæger sig med lydhastigheden i alle retninger. Hvis objektet bevæger sig med hastigheder, der er lig med eller større end lyden, løber det ud over disse bølger. Som et resultat hældes trykbølgerne fra disse hurtige genstande oven på hinanden for at skabe stødbølger, der kaldes lydbommer, der er beslægtet med torden klapper.
Sonic bommer er begrænset til koniske områder kendt som "Mach kegler", der primært strækker sig til bagsiden af supersoniske genstande. Lignende begivenheder inkluderer de V-formede bølgebølger, som en båd kan generere, når de rejser hurtigere end de bølger, den skubber ud af sin måde bevæger sig hen over vandet.
Tidligere forskning antydede, at lys kan generere koniske vågner, der ligner lydbommer. Nu, for første gang, har forskere afbildet disse undvigende "fotoniske Mach-kegler."
Lys kører med en hastighed på ca. 186.000 miles per sekund (300.000 kilometer i sekundet), når de bevæger sig gennem vakuum. I henhold til Einsteins relativitetsteori kan intet rejse hurtigere end lysets hastighed i et vakuum. Lys kan imidlertid køre langsommere end dets tophastighed - for eksempel bevæger lys sig gennem glas i hastigheder på cirka 60 procent af dets maksimale. Faktisk har tidligere eksperimenter bremset lyset mere end en million gange.
Det faktum, at lys kan rejse hurtigere i et materiale end i et andet, hjalp forskere med at generere fotoniske Mach-kegler. Først undersøgte studieforfatter Jinyang Liang, en optisk ingeniør ved Washington University i St. Louis, og hans kolleger en smal tunnel fyldt med tøris-tåge. Denne tunnel blev klemt fast mellem plader fremstillet af en blanding af silikongummi og aluminiumoxidpulver.
Derefter fyrede forskerne pulser med grønt laserlys - der kun varede 7 picosekunder (billioner af et sekund) - ned ad tunnelen. Disse impulser kunne sprede pletter af tøris inde i tunnelen og generere lysbølger, der kunne komme ind i de omgivende plader.
Det grønne lys, som forskerne brugte, rejste hurtigere inde i tunnelen end det gjorde på pladerne. Som sådan, da en laserpuls bevægede sig ned ad tunnellen, efterlod den en kegle med langsommere bevægende overlappende lysbølger bag sig inden i pladerne.
Streak kamera
For at fange video af disse undvigende lysspredningsbegivenheder udviklede forskerne et "streak camera", der kunne optage billeder med en hastighed på 100 milliarder billeder i sekundet i en enkelt eksponering. Dette nye kamera fangede tre forskellige synspunkter på fænomenet: et, der fik et direkte billede af scenen, og to, der registrerede tidsmæssige oplysninger om begivenhederne, så forskerne kunne rekonstruere, hvad der skete ramme for ramme. I det væsentlige "lægger de forskellige stregkoder på hvert enkelt billede, så selvom vi under dataindsamlingen er blandet sammen, kan vi sortere dem," sagde Liang i et interview.
Der er andre billeddannelsessystemer, der kan fange ultrahurtige begivenheder, men disse systemer er normalt nødt til at registrere hundreder eller tusinder af eksponeringer af sådanne fænomener, før de kan se dem. I modsætning hertil kan det nye system registrere ultrahurtige begivenheder med kun en enkelt eksponering. Dette egner sig til at optage komplekse, uforudsigelige begivenheder, der muligvis ikke gentager sig på nøjagtigt samme måde hver gang de sker, som det var tilfældet med de fotoniske Mach-kegler, som Liang og hans kolleger optog. I dette tilfælde bevægede de små pletter, der spredte lys sig, tilfældigt rundt.
Forskerne sagde, at deres nye teknik kunne vise sig at være nyttig til registrering af ultrahurtige begivenheder i komplekse biomedicinske sammenhænge, såsom levende væv eller flydende blod. ”Vores kamera er hurtigt nok til at se neuroner skyde og se live trafik i hjernen,” fortalte Liang til Live Science. "Vi håber, at vi kan bruge vores system til at studere neurale netværk til at forstå, hvordan hjernen fungerer."
Forskerne detaljerede deres fund online 20. januar i tidsskriftet Science Advances.
Original artikel om Live Science.
