Stejně jako letadla létající nadzvukovými rychlostmi vytvářejí kónické zvukové bomby, pulsy světla mohou zanechávat za sebou kuželovité probuzení světla. Nyní superrychlá kamera zachytila vůbec první video těchto událostí.
Nová technologie použitá k tomuto objevu by mohla jednoho dne vědcům umožnit pozorovat oheň neuronů a živou aktivitu obrazu v mozku.
Věda za tech
Když se objekt pohybuje vzduchem, tlačí vzduch před ním pryč a vytváří tlakové vlny, které se pohybují rychlostí zvuku ve všech směrech. Pokud se objekt pohybuje rychlostí stejnou nebo vyšší než zvuk, předčí tyto tlakové vlny. V důsledku toho se tlakové vlny z těchto urychlujících objektů hromadí na sobě, aby vytvořily rázové vlny známé jako zvukové výložníky, které se podobají rachotům hromu.
Sonické rozmachy jsou omezeny na kuželové oblasti známé jako „Machové kužely“, které sahají primárně do zadní části nadzvukových objektů. K podobným událostem patří příďové vlny ve tvaru písmene V, které může loď generovat, když cestuje rychleji, než se vlny, které vytlačuje z cesty, pohybují po vodě.
Předchozí výzkum naznačil, že světlo může generovat kuželové probuzení podobné zvukovým boomům. Nyní poprvé vědci zobrazili tyto nepolapitelné „fotonické Machovy kužely“.
Světlo cestuje rychlostí asi 186 000 mil za sekundu (300 000 km za sekundu), když se pohybuje ve vakuu. Podle Einsteinovy teorie relativity nemůže nic cestovat rychleji než rychlost světla ve vakuu. Světlo však může cestovat pomaleji než jeho nejvyšší rychlost - například světlo se pohybuje sklem rychlostí asi 60 procent své maximální hodnoty. Ve skutečnosti předchozí experimenty zpomalily světlo více než milionkrát.
Skutečnost, že světlo může cestovat rychleji v jednom materiálu než v jiném, pomohlo vědcům vytvořit fotonické Machovy šišky. Nejprve studoval vedoucí autor Jinyang Liang, optický inženýr na Washingtonské univerzitě v St. Louis, a jeho kolegové navrhli úzký tunel naplněný mlhou suchého ledu. Tento tunel byl vložen mezi desky vyrobené ze směsi silikonového kaučuku a prášku oxidu hlinitého.
Poté vědci vypálili pulsy zeleného laserového světla - každý trval jen 7 pikosekund (biliontiny sekundy) - tunelem. Tyto pulzy by mohly rozptýlit skvrny suchého ledu v tunelu a vytvářet světelné vlny, které by mohly proniknout do okolních desek.
Zelené světlo, které vědci používali, cestovalo v tunelu rychleji než v deskách. Když se laserový puls pohyboval tunelem, zanechal za sebou uvnitř desek kužel pomaleji se pohybujících překrývajících se světelných vln.
Kamera pruh
Aby bylo možné zachytit video těchto nepolapitelných událostí rozptylu světla, vyvinuli vědci „bleskovou kameru“, která dokáže zachytit snímky rychlostí 100 miliard snímků za sekundu při jediné expozici. Tato nová kamera zachytila tři různé pohledy na jev: jeden, který získal přímý obraz scény, a dva, které zaznamenávaly časové informace o událostech, takže vědci mohli rekonstruovat to, co se stalo snímek po snímku. V zásadě „vkládají do každého jednotlivého obrazu různé čárové kódy, takže i když během získávání dat jsou všechny smíšené dohromady, můžeme je třídit,“ řekl Liang v rozhovoru.
Existují i jiné zobrazovací systémy, které dokážou zachytit ultrarychlé události, ale tyto systémy obvykle musí zaznamenat stovky nebo tisíce expozic takových jevů, než je uvidí. Naproti tomu nový systém může zaznamenávat ultrarychlé události s jedinou expozicí. To se hodí k záznamu složitých, nepředvídatelných událostí, které se nemusí opakovat přesně stejným způsobem pokaždé, když k nim dojde, jako tomu bylo v případě fotonických Machových kuželů, které zaznamenal Liang a jeho kolegové. V tom případě se drobné skvrny, které rozptýlené světlo pohybovaly náhodně.
Vědci uvedli, že jejich nová technika může být užitečná při zaznamenávání ultrarychlých událostí ve složitých biomedicínských kontextech, jako jsou živé tkáně nebo tekoucí krev. "Naše kamera je dostatečně rychlá na to, aby sledovala oheň neuronů a živý obraz v mozku," řekl Liang Live Science. "Doufáme, že můžeme použít náš systém ke studiu neuronových sítí k pochopení toho, jak mozek funguje."
Vědci podrobně popsali svá zjištění online 20. ledna v časopise Science Advances.
Původní článek o živé vědě.
