تم تصوير مخروط الفوتون لأول مرة. الدماغ هو التالي

إذا كنت قد وقفت بجوار طائرة أسرع من الصوت ، فربما تتذكر الصوت الصمامي لموجة الصدمة ، التي تصاحب حركة الجسم بسرعة تزيد عن Mach 1 ، أي أكثر من سرعة الصوت في هذا الوسط. منطقة انتشار الموجة الصدمية من طائرة أسرع من الصوت محدودة بمخروط ماخ . تمكنت مجموعة من العلماء من جامعة إلينوي في Urban-Champaign (الولايات المتحدة الأمريكية) وجامعة Tsinghua للأبحاث (الصين) من التقاط "موجة الصدمة" للفوتونات لأول مرة على كاميرا فيديو . مثل الصوت ، فوتونات الضوء لها طبيعة موجية ، لذلك فهي تشكل نفس مخروط ماخ إذا كان الجسم يتحرك أسرع من سرعة الضوء في البيئة.

مخروط الصوت ماخ

يحدث مخروط الماك عندما يتحرك الجسم بشكل أسرع من الموجات التي يولدها. في معظم الأحيان يتحدثون عن موجة صدمة صوتية من طائرة تطير بسرعة تزيد عن Mach 1 ، أي أكثر من سرعة الصوت في بيئة معينة.

بشكل عام ، عند السفر بسرعات Transonic ، تتجلى سلسلة كاملة من التأثيرات المثيرة للاهتمام ، بما في ذلك تأثير Prandtl-Glauert : سحابة جميلة خلف طائرة.


تأثير Prandtl-Glauert: ظاهرة تكثف الرطوبة الجوية خلف جسم يتحرك بسرعات عبر صوتية

تنشأ السحابة من حقيقة أن الطائرة التي تحلق بسرعة عالية تخلق منطقة من الضغط المنخفض خلفها. بعد المرور ، تملأ هذه المنطقة الهواء المحيط ، حيث تنخفض درجة حرارة الهواء بشكل حاد أسفل نقطة الندى (قفزة في درجة الحرارة نتيجة للعملية الحافظة). إذا كانت الرطوبة عالية ، فإن بخار الماء يتكثف على شكل قطرات صغيرة تشكل سحابة.

إن انتشار موجة الصدمة الصوتية هو أيضًا عملية حساسة ، بالإضافة إلى تأثير Prandtl-Gloert. هنا في الهواء هناك قفزة في الضغط والكثافة ودرجة الحرارة وسرعة الهواء. يعني الصوت في حد ذاته تقلبات في كثافة وسرعة وضغط الوسط. ترافق العملية الأديباتية بسرعة تفوق سرعة الصوت موجة صدمة ، والتي تتحول على مسافة من مصدر الطاقة إلى موجة صوتية ، وتقترب سرعة انتشارها من سرعة الصوت.

لا ترتبط سحابة Prandtl-Gloert الموضحة أعلاه مباشرةً بموجة الصدمة. ينشأ ببساطة بسبب تبريد الهواء والتكثيف. أي أن هذه العملية لا يمكن أن تسمى "تصور" مخروط ماخ. لكن تجربة علماء من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين وجامعة تسينغهوا هي ملاحظة مباشرة لهذا التأثير. ليس فقط للصوت ، ولكن للضوء.

مخروط ضوء ماخ

تحتوي موجة الصدمة الخفيفة أيضًا على شكل مخروط ، مثل موجة الصدمة الصوتية. لتسجيله على الفيديو ، استخدم الباحثون نبضات الليزر كجسم متحرك. استخدموا تقنية صعبة حيث تتحرك نبضات الضوء بسرعة فائقة فوق السطوع ، أي أسرع من سرعة الضوء في البيئة.



كانت المهمة الأولى في هذه التجربة هي كبح الضوء. يعلم الجميع أن سرعة الضوء في الفراغ تبلغ حوالي 300000 كم / ثانية ، ولكن في البيئات الأخرى ، يتحرك الضوء بشكل أبطأ ، حتى يتوقف تمامًا . لتثبيط الضوء في هذه التجربة ، قام العلماء بملء نفق بين لوحين مصنوعين من خليط من مطاط السيليكون العضوي ومسحوق أكسيد الألومنيوم في ثاني أكسيد الكربون.

في هذا النفق تم إطلاق نبضات ليزر أخضر تدوم 7 بيكو ثانية. الحيلة هي أن الفوتونات داخل النفق تتحرك أسرع من خلال اللوحات على طول النفق. لذلك ، عند التحرك على طول النفق ، تترك نبضات الليزر وراءها أثرًا مخروطيًا لموجات الضوء البطيئة ، والتي ، نتيجة التشتت ، المتراكبة على بعضها البعض في الألواح - هذا هو مخروط ماخ.

وبعبارة أخرى ، فإن نبض الليزر مبعثر بالغاز وهو في الأساس مصدر للضوء ، يتحرك عبر النفق بسرعة أكبر من سرعة الضوء خارج النفق. ما يشكل مثل هذا المخروط.



في السنوات السابقة ، تم بالفعل إجراء تجارب سجلت وجود مخاريط ماخ ضوئية ، ولكن الآن وللمرة الأولى ، تمكن العلماء من التصوير في الوقت الحقيقي على كاميرا فيديو ، بينما يتحرك نبض ليزر واحد في الفضاء.

للقيام بذلك ، كان من الضروري تصميم كاميرا إلكترونية بصرية خاصة (كاميرا مشقوقة) ، والتي يمكن أن تستغرق ما يصل إلى 100 مليار إطار في الثانية في تعرض واحد. عملت الكاميرا في ثلاثة أوضاع: في الأولى ، تم تصوير الظاهرة مباشرة ، وسجلت المعلومات الأخرى عن الوقت. ثم تم الجمع بين هذه البيانات للحصول على فيديو موثوق به علمياً لانتشار مخروط الفوتون ماخ.

يمكن أن تجد كاميرا بصرية إلكترونية لهذا التصميم تطبيقًا في الطب ومجالات العلوم الأخرى لتسجيل ظواهر الضوء التي لا يمكن التنبؤ بها. على عكس الكاميرات الأخرى ، ليست هناك حاجة إلى الضبط المسبق وآلاف الإطارات الفردية. تعمل هذه الكاميرا بسرعة غالق واحد.

يقترح المؤلفون أنه يمكن استخدام هذه الكاميرا لتسجيل الفيديو للنبضات التي تتبادلها الخلايا العصبية فيما بينها في عملية النشاط العقلي. هناك فرصة لتسجيل حركة المرور الإلكترونية بدقة في الدماغ البشري. قال المهندس البصري جينيانج ليانغ من جامعة واشنطن في سانت لويس ، المؤلف الرئيسي لورقة البحث: "نأمل أن نتمكن من استخدام نظامنا لدراسة الشبكات العصبية لفهم كيفية عمل الدماغ".

مقال علميتم نشره في 20 يناير 2017 في مجلة Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/ar400837/