Der Mach-Photonenkegel wurde zuerst gefilmt. Das Gehirn ist das nächste

Wenn Sie jemals neben einem fliegenden Überschallflugzeug gestanden haben, erinnern Sie sich wahrscheinlich an das ohrenbetäubende Geräusch der Stoßwelle , die die Bewegung des Körpers mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 1, dh mehr als der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium, begleitet. Der Stoßwellenausbreitungsbereich eines Überschallflugzeugs ist durch den Mach-Kegel begrenzt . Einer Gruppe von Wissenschaftlern der University of Illinois in Urban-Champaign (USA) und der Tsinghua University of Research (China) gelang es erstmals, die „Stoßwelle“ von Photonen mit einer Videokamera einzufangen . Photonen des Lichts haben wie Schall eine Wellennatur, daher bilden sie denselben Mach-Kegel, wenn sich der Körper schneller als die Lichtgeschwindigkeit in der Umgebung bewegt.

Mach Schallkegel

Der Mach-Kegel entsteht, wenn sich der Körper schneller bewegt als die Wellen, die er erzeugt. Am häufigsten sprechen sie von einer Schallschockwelle aus einem Flugzeug, das mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 1 fliegt, dh mehr als der Schallgeschwindigkeit in einer bestimmten Umgebung.

Im Allgemeinen zeigt sich bei Reisen mit transsonischen Geschwindigkeiten eine ganze Reihe interessanter Effekte, einschließlich des Prandtl-Glauert-Effekts : eine schöne Wolke hinter einem Flugzeug.


Der Prandtl-Glauert-Effekt: Das Phänomen der Kondensation von Luftfeuchtigkeit hinter einem Objekt, das sich mit transsonischen Geschwindigkeiten bewegt

Die Wolke entsteht aus der Tatsache, dass ein Flugzeug, das mit hoher Geschwindigkeit fliegt, einen Bereich mit geringem Druck hinter sich erzeugt. Nach dem Durchgang füllt dieser Bereich die Umgebungsluft, während der die Lufttemperatur stark unter den Taupunkt fällt (Temperatursprung infolge des adiabatischen Prozesses). Wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist, kondensiert Wasserdampf in Form winziger Tröpfchen, die eine Wolke bilden.

Die Ausbreitung einer Schallschockwelle ist ebenso wie der Prandtl-Gloert-Effekt ein adiabatischer Prozess. Hier in der Luft gibt es einen Sprung in Druck, Dichte, Temperatur und Luftgeschwindigkeit. Schall an sich bedeutet Schwankungen der Dichte, Geschwindigkeit und des Drucks eines Mediums. Der adiabatische Prozess bei Überschallgeschwindigkeit wird von einer Stoßwelle begleitet, die in einiger Entfernung von der Energiequelle zu einer Schallwelle degeneriert und deren Ausbreitungsgeschwindigkeit sich der Schallgeschwindigkeit nähert.

Die oben gezeigte Prandtl-Gloert-Wolke steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Stoßwelle. Es entsteht einfach durch Luftkühlung und Kondensation. Das heißt, dieser Prozess kann nicht als "Visualisierung" des Mach-Kegels bezeichnet werden. Ein Experiment von Wissenschaftlern der University of Illinois in Urbana-Champaign und der Tsinghua University ist jedoch eine direkte Beobachtung dieses Effekts. Nur nicht für Ton, sondern für Licht.

Mach Lichtkegel

Die Lichtschockwelle hat ebenso wie die Schallschockwelle die Form eines Kegels. Um es auf Video aufzunehmen, verwendeten die Forscher Laserpulse als sich bewegenden Körper. Sie verwendeten eine knifflige Technik, bei der sich Lichtimpulse mit einer "überluminalen" Geschwindigkeit bewegen, dh schneller als die Lichtgeschwindigkeit in der Umgebung.



Die erste Aufgabe in diesem Experiment war es, das Licht zu bremsen. Jeder weiß, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum etwa 300.000 km / s beträgt, aber in anderen Umgebungen bewegt sich das Licht langsamer, bis es vollständig stoppt . Um das Licht in diesem Experiment zu hemmen, füllten die Wissenschaftler einen Tunnel zwischen zwei Platten aus einer Mischung von Organosiliciumkautschuk und Aluminiumoxidpulver in Kohlendioxid.

In diesem Tunnel wurden Impulse eines grünen Lasers gestartet, die 7 Pikosekunden dauerten. Der Trick ist, dass sich die Photonen innerhalb des Tunnels schneller bewegen als durch die Platten entlang des Tunnels. Bei der Bewegung entlang des Tunnels hinterließen die Laserpulse daher eine konische Spur langsamerer Lichtwellen, die sich infolge der Streuung in den Platten überlagerten - dies ist der Mach-Kegel.

Mit anderen Worten , der Laserpuls wird vom Gas gestreut und ist im Wesentlichen eine Lichtquelle, die sich mit einer schnelleren Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit außerhalb des Tunnels durch den Tunnel bewegt. Was bildet einen solchen Kegel?



In früheren Jahren wurden bereits Experimente durchgeführt, bei denen das Vorhandensein von photonischen Mach-Kegeln aufgezeichnet wurde. Jetzt konnten Wissenschaftler erstmals mit einer Videokamera in Echtzeit aufnehmen, während sich ein einzelner Laserpuls im Raum bewegt.

Dazu musste eine spezielle elektronenoptische Kamera (Spaltkamera) entwickelt werden, die in einer Belichtung bis zu 100 Milliarden Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Die Kamera arbeitete in drei Modi: Im ersten wurde das Phänomen direkt aufgenommen und in den beiden anderen wurden Zeitinformationen aufgezeichnet. Dann wurden diese Daten kombiniert, um ein wissenschaftlich zuverlässiges Video der Ausbreitung des Mach-Photonenkegels zu erhalten.

Eine elektronenoptische Kamera dieses Designs kann in der Medizin und anderen Bereichen der Wissenschaft Anwendung finden, um unvorhersehbare Lichtphänomene aufzuzeichnen. Im Gegensatz zu anderen Kameras sind keine Voreinstellungen und Tausende von Einzelbildern erforderlich. Diese Kamera arbeitet mit einer Verschlusszeit.

Die Autoren schlagen vor, dass diese Kamera zur Videoaufzeichnung von Impulsen verwendet werden kann, die Neuronen während des Prozesses der mentalen Aktivität untereinander austauschen. Es besteht die Möglichkeit, den elektronischen Verkehr im menschlichen Gehirn genau zu registrieren. "Wir hoffen, dass wir mit unserem System neuronale Netze untersuchen können, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert", sagte der Optiker Jinyang Liang von der Washington University in St. Louis, Hauptautor des Forschungspapiers.

Wissenschaftlicher Artikelveröffentlicht am 20. Januar 2017 in der Zeitschrift Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/de400837/