Baš kao što zrakoplovi koji lete superzvučnim brzinama stvaraju zvučne izbočine u obliku konusa, svjetlosni impulsi mogu iza sebe ostaviti konusne budne svjetlosti. Sada je vrlo brza kamera snimila prvi video snimak tih događaja.
Nova tehnologija korištena za to otkriće mogla bi jednog dana omogućiti znanstvenicima pomoć pri gledanju neurona kako pucaju i slikaju živu aktivnost u mozgu, kažu istraživači.
Znanost iza tehnologije
Kada se objekt kreće zrakom, on gura zrak ispred sebe, stvarajući tlačne valove koji se kreću brzinom zvuka u svim smjerovima. Ako se objekt kreće brzinom jednakom ili većom od zvuka, on nadmašuje te tlačne valove. Kao rezultat toga, valovi pritiska iz tih brzih objekata gomilaju se jedan na drugog kako bi stvorili udarne valove poznate kao zvučni strijeli, slični grmljavinskim udarcima.
Zvučni nosači ograničeni su na stožaste krajeve poznate kao "Mach konusi" koji se protežu prvenstveno na stražnjoj strani nadzvučnih objekata. Slični događaji uključuju i lučne valove u obliku slova V koje brod može stvoriti kada putuje brže nego što se valovi koje gura na putu pomiču preko vode.
Prethodna su istraživanja sugerirala da svjetlost može stvoriti stožaste valove slične zvučnim pupovima. Sada su prvi put znanstvenici zamislili ove neuhvatljive „fotonske Machove češljeve“.
Svjetlo putuje brzinom od oko 186.000 milja u sekundi (300.000 kilometara u sekundi) kada se kreće kroz vakuum. Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, ništa ne može putovati brže od brzine svjetlosti u vakuumu. Međutim, svjetlost može putovati sporije od svoje najveće brzine - na primjer, svjetlost se kreće kroz staklo brzinom od oko 60 posto njegove maksimalne. Zaista su prethodni eksperimenti usporili svjetlost više od milijun puta.
Činjenica da svjetlost može putovati brže u jednom materijalu nego u drugom pomogla je znanstvenicima da stvore fotonske Mach konuse. Prvo, glavni autor studije Jinyang Liang, optički inženjer sa Sveučilišta Washington u St. Louisu, i njegovi kolege dizajnirali su uski tunel ispunjen suhom ledenom maglom. Taj tunel je probušen između ploča izrađenih od mješavine silikonske gume i praha aluminij-oksida.
Zatim su istraživači ispalili impulse zelene laserske svjetlosti - svaki u trajanju od samo 7 pikosekundi (trilijune sekunde) - niz tunel. Ti bi impulsi mogli raspršiti mrlje suhog leda unutar tunela, generirajući svjetlosne valove koji bi mogli ući u okolne ploče.
Zeleno svjetlo koje su koristili znanstvenici putovalo je brže u tunelu nego što je bilo u pločama. Kao takav, dok se laserski impuls kretao niz tunel, ostavio je iza ploče konus sporije pokretnih svjetlosnih valova koji se preklapaju.
Streak kamera
Kako bi snimili video tih neuhvatljivih događaja raspršivanja svjetla, istraživači su razvili "streak kameru" koja je mogla snimati slike brzinom od 100 milijardi okvira u sekundi u jednom izlaganju. Ova nova kamera zabilježila je tri različita pogleda na taj fenomen: jedan koji je stekao izravnu sliku prizora i dva koji su bilježili vremenske informacije o događajima kako bi znanstvenici mogli rekonstruirati ono što se dogodilo kadrovski. U osnovi, oni "postavljaju različite crtične kodove na svaku pojedinačnu sliku, tako da čak i ako se tijekom prikupljanja podataka svi pomiješaju, možemo ih riješiti", rekao je Liang u intervjuu.
Postoje i drugi slikovni sustavi koji mogu zabilježiti ultrabrze događaje, ali ti sustavi obično trebaju zabilježiti stotine ili tisuće izlaganja takvim pojavama prije nego što ih mogu vidjeti. Suprotno tome, novi sustav može snimati iznimno brze događaje sa samo jednom izloženošću. To omogućava snimanje složenih, nepredvidivih događaja koji se možda neće ponoviti na isti način svaki put kad se dogode, kao što je to slučaj s fotonskim Mach konusima koje su zabilježili Liang i njegovi kolege. U tom slučaju, sićušne mrlje koje su raspršile svjetlost kretale su se nasumično.
Istraživači su rekli kako bi se njihova nova tehnika mogla pokazati korisnom u snimanju ultrabrzih događaja u složenom biomedicinskom kontekstu, poput živih tkiva ili protočne krvi. "Naša je kamera dovoljno brza da gledamo kako neuroni pucaju i slikaju promet uživo u mozgu", rekao je Liang za Live Science. "Nadamo se da ćemo moći upotrijebiti naš sustav za proučavanje neuronskih mreža da bismo shvatili kako mozak funkcionira."
Znanstvenici su svoja otkrića detaljno objavili na mreži 20. siječnja u časopisu Science Advances.
Izvorni članak o Live Science.
