Lygiai taip pat, kaip orlaiviai, skraidantys viršgarsiniu greičiu, sukuria kūgio formos garsines strėles, šviesos impulsai gali palikti kūgio formos šviesos pabudimus. Dabar superkamera užfiksavo pirmąjį visų šių įvykių vaizdo įrašą.
Naujosios technologijos, naudojamos šiam atradimui, vieną dieną galėtų padėti mokslininkams padėti stebėti neuronų ugnį ir atvaizduoti gyvą smegenų veiklą, teigia tyrėjai.
Mokslas už technikos
Kai objektas juda oru, jis stumia orą priešais jį, sukurdamas slėgio bangas, kurios juda garso greičiu visomis kryptimis. Jei objektas juda greičiu, lygiu ar didesniu už garsą, jis lenkia tas slėgio bangas. Dėl to slėgio bangos, kylančios iš šių greičio viršijimo objektų, kaupiasi viena ant kitos, kad susidarytų smūgio bangos, žinomos kaip garsinės strėlės, kurios yra panašios į griaustinį.
Garso strėlės yra tik kūginiuose regionuose, vadinamuose „Macho kūgiais“, kurie pirmiausia eina viršgarsinių objektų gale. Panašūs įvykiai yra V formos lanko bangos, kurias valtis gali generuoti keliaudama greičiau nei bangos, kurias jis išstumia iš kelio, juda per vandenį.
Ankstesni tyrimai rodo, kad šviesa gali sukelti kūginius žadinimus, panašius į garsinės strėlės. Dabar pirmą kartą mokslininkai pavaizdavo šiuos nemandagius „fotoninius Macho kūgius“.
Važiuodami vakuume, šviesa skrieja maždaug 186 000 mylių per sekundę (300 000 kilometrų per sekundę) greičiu. Remiantis Einsteino reliatyvumo teorija, niekas negali keliauti greičiau nei šviesos greitis vakuume. Tačiau šviesa gali judėti lėčiau nei didžiausias jos greitis - pavyzdžiui, šviesa juda pro stiklą maždaug 60 procentų jo maksimalaus greičio. Iš tikrųjų ankstesni eksperimentai sumažino daugiau nei milijoną kartų.
Tai, kad šviesa vienoje medžiagoje gali judėti greičiau nei kitoje, mokslininkams padėjo sukurti fotoninius Macho kūgius. Pirma, tyrimo pagrindinis autorius Jinyang Liang, Vašingtono universiteto Sent Luise optikos inžinierius, su kolegomis suprojektavo siaurą tunelį, užpildytą sauso ledo rūku. Šis tunelis buvo dedamas tarp plokščių, pagamintų iš silikono gumos ir aliuminio oksido miltelių mišinio.
Tada tyrėjai paleido tunelį žalios lazerio šviesos impulsus - kiekvienas jų truko tik 7 pikosekundės (trilijonus sekundės sekundės). Šie impulsai galėtų išsklaidyti tunelio sauso ledo dėmeles ir sukelti šviesos bangas, kurios galėtų patekti į aplinkines plokšteles.
Žalia šviesa, kurią naudojo mokslininkai, tunelio viduje važiavo greičiau nei plokštelėse. Kadangi lazerio impulsas judėjo tuneliu, po juo plokštėse liko lėčiau judančių šviesos bangų kūgis.
Srauto kamera
Norėdami užfiksuoti šių sunkiai apšviečiančių įvykių vaizdo įrašus, tyrėjai sukūrė „juostinę kamerą“, kuri vienoje ekspozicijoje galėtų fiksuoti vaizdus 100 milijardų kadrų per sekundę greičiu. Ši naujoji kamera užfiksavo tris skirtingus reiškinio vaizdus: vieną, kuris įgavo tiesioginį scenos vaizdą, ir du, kurie užfiksavo laikiną informaciją apie įvykius, kad mokslininkai galėtų rekonstruoti tai, kas įvyko po kadro. Iš esmės jie „deda skirtingus brūkšninius kodus ant kiekvieno atskiro atvaizdo, kad net jei duomenų rinkimo metu jie visi būtų sumaišyti, mes galėtume juos surūšiuoti“, - sakė Liang interviu.
Yra ir kitų vaizdo sistemų, kurios gali fiksuoti ypač greitus įvykius, tačiau šioms sistemoms paprastai reikia įrašyti šimtus ar tūkstančius tokių reiškinių ekspozicijų, kad jie galėtų juos pamatyti. Priešingai, naujoji sistema gali įrašyti ypač greitus įvykius tik vienu ekspozicija. Tai leidžia įrašyti sudėtingus, nenuspėjamus įvykius, kurie gali pasikartoti tiksliai tokiu pat būdu kiekvieną kartą, kai jie įvyksta, kaip buvo fotoninių Macho kūgių, kuriuos įrašė Liangas ir jo kolegos, atveju. Tokiu atveju maža taškė, išsklaidžiusi šviesą, judėjo atsitiktinai.
Tyrėjai teigė, kad jų naujoji technika gali būti naudinga registruojant ypač greitus įvykius sudėtinguose biomedicininiuose kontekstuose, tokiuose kaip gyvi audiniai ar tekanti kraujas. „Mūsų kamera yra pakankamai greita, kad galėtų stebėti neuronų ugnį ir atvaizduoti tiesioginį srautą smegenyse“, - Liang pasakojo „Live Science“. "Mes tikimės, kad galime panaudoti savo sistemą neuroniniams tinklams tirti, kad suprastume, kaip veikia smegenys."
Mokslininkai išsamiai aprašė savo išvadas sausio 20 d. Žurnale „Science Advances“.
Originalus straipsnis apie gyvą mokslą.
