"Звуковые удары" света впервые сняли на видео

Самолёты, летающие на сверхзвуковых скоростях, создают конусообразную звуковую ударную волну. Примерно таким же образом импульсы света могут оставлять позади себя конусообразные "следы". И недавно учёные впервые сняли на видео подобное явление с помощью высокоскоростной камеры.

По мнению специалистов, новая технология, которая использовалась для этого открытия, в один прекрасный день может позволить учёным увидеть возбуждение (активацию) нейронов и таким образом получить изображение активности в головном мозге в режиме реального времени.

Но вернёмся к наблюдаемому явлению. Если объект движется сквозь воздух, то он разгоняет его перед собой, создавая так называемые волны давления, которые движутся со скоростью звука во всех направлениях. Если же объект движется со скоростью, равной или большей скорости звука, то он обгоняет эти волны давления. В результате волны давления от этих скоростных объектов накапливают поверх друг друга и создают ударные волны. Последние при прохождении рядом с человеком порождают звуковые удары, которые похожи на раскаты грома.

Как мы уже сказали, звуковая ударная волна имеет форму конуса – этот регион, известный под названием "конус Маха", простирается в основном в задней части движущихся сверхзвуковых объектов.

Предыдущие исследования физиков показали, что свет может создавать конические следы, похожие на звуковые волны. Теперь же учёным впервые удалось снять эти неуловимые "фотонные конусы Маха".

Свет движется со скоростью примерно 300 тысяч километров в секунду при перемещении сквозь вакуум. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме.

Тем не менее, свет может двигаться чуть медленнее, чем на максимальной скорости. (Например, свет перемещается через стекло со скоростью около 60 процентов от своего максимума). Кроме того, более ранние эксперименты показали, что в определённых условиях можно снизить скорость света более чем в миллион раз.

Тот факт, что свет может двигаться через один материал быстрее, чем сквозь другой, помог учёным создать фотонные конусы Маха. Сначала ведущий автор исследования оптический инженер Цзиньян Лян (Jinyang Liang) и его коллеги из Университета Вашингтона в Сент-Луисе создали узкий туннель и наполнили его туманом, образованным сухим льдом. Этот проход был зажат между пластинами из смеси резины и порошка оксида алюминия.

После этого исследователи отправляли импульсы зелёного лазерного света (каждый длился около семи пикосекунд, триллионных долей секунды) по туннелю. Эти импульсы рассеивались на частичках сухого льда внутри туннеля, создавая световые волны, которые могли входить в окружающие пластины.

При этом зелёный свет, использованный учёными, путешествовал внутри туннеля быстрее, чем он это делал в пластинах. В итоге по мере того как лазерный импульс проходил по туннелю, он формировал в пластинах конус более медленных пересекающихся световых волн.

С целью заснять на видео это неуловимое явление рассеяния света, учёные разработали электронно-оптический хроноскоп, который способен захватывать изображения со скоростью 100 миллиардов кадров в секунду на одной экспозиции.

Новая камера позволила получить три различных "взгляда" на изучаемое явление. Во-первых, было получено прямое изображение сцены, а также была записана временная информация о событии, таким образом чтобы учёные смогли восстановить картину произошедшего по кадрам.

По сути, они "поместили различные штрих-коды на каждое отдельное изображение, так что, даже если бы кадры во время сбора данных смешали бы в кучу, в них можно было бы разобраться", говорит Лян.

Сегодня существуют и другие системы визуализации, которые могут фиксировать сверхбыстрые события. Но этим системам, как правило, нужно записывать сотни или даже тысячи "кадров" изучаемого явления до того, как удастся увидеть его.

Новая же система может записать сверхбыстрые события в ходе всего одного подхода. Соответственно, система поможет в фиксировании сложных непредсказуемых событий, которые могут и не повториться точно таким же образом дважды (как в случае с конусом Маха).

Исследователи считают, что их новый метод может оказаться полезным при фиксировании сверхбыстрых событий в сложных биомедицинских контекстах – живые тканях или при перемещении крови. "Мы надеемся, что сможем использовать разработанную систему для изучения нейронный сетей, чтобы понять, как работает мозг", — заключает Лян.

Исследование и описание первого в мире видео световых ударных волн опубликовано в научном издании Science Advances.

Добавим, что ранее учёные также смогли впервые запечатлеть на камеру "выстрел" лазерного луча.