El cono de fotones de Mach se filmó por primera vez. El cerebro es el siguiente

Si alguna vez ha estado junto a un avión supersónico volador, probablemente recuerde el sonido ensordecedor de la onda de choque , que acompaña el movimiento del cuerpo a una velocidad superior a Mach 1, es decir, más que la velocidad del sonido en un entorno determinado. La región de propagación de ondas de choque de un avión supersónico está limitada por el cono de Mach . Un grupo de científicos de la Universidad de Illinois en Urban-Champaign (EE. UU.) Y la Universidad de Investigación de Tsinghua (China) lograron capturar la "onda de choque" de los fotones por primera vez en una cámara de video . Al igual que el sonido, los fotones de luz tienen una naturaleza ondulatoria, por lo tanto, forman el mismo cono de Mach si el cuerpo se mueve más rápido que la velocidad de la luz en el ambiente.

Cono de sonido mach

El cono de Mach ocurre cuando el cuerpo se mueve más rápido que las ondas que genera. Con mayor frecuencia hablan de una onda de choque sonora de un avión que vuela a una velocidad superior a Mach 1, es decir, más que la velocidad del sonido en un entorno determinado.

En general, cuando se viaja a velocidades transónicas, se manifiestan toda una serie de efectos interesantes, incluido el efecto Prandtl-Glauert : una hermosa nube detrás de un avión.


El efecto Prandtl-Glauert: el fenómeno de condensación de la humedad atmosférica detrás de un objeto que se mueve a velocidades transónicas

La nube surge del hecho de que un avión que vuela a alta velocidad crea un área de baja presión detrás de sí mismo. Después del pasaje, esta área llena el aire circundante, durante el cual la temperatura del aire cae bruscamente por debajo del punto de rocío (salto de temperatura como resultado del proceso adiabático). Si la humedad es alta, entonces el vapor de agua se condensa en forma de pequeñas gotas que forman una nube.

La propagación de una onda de choque sonora también es un proceso adiabático, así como el efecto Prandtl-Gloert. Aquí en el aire hay un salto en presión, densidad, temperatura y velocidad del aire. El sonido en sí mismo significa fluctuaciones en la densidad, velocidad y presión de un medio. El proceso adiabático a velocidad supersónica se acompaña de una onda de choque, que a una distancia de la fuente de energía degenera en una onda de sonido, y su velocidad de propagación se aproxima a la velocidad del sonido.

La nube de Prandtl-Gloert que se muestra arriba no está directamente relacionada con la onda de choque. Surge simplemente debido a la refrigeración y condensación del aire. Es decir, este proceso no puede llamarse "visualización" del cono de Mach. Pero un experimento realizado por científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Tsinghua es una observación directa de este efecto. Solo no por sonido, sino por luz.

Mach Light Cone

La onda de choque de luz también tiene la forma de un cono, como la onda de choque de sonido. Para grabarlo en video, los investigadores usaron pulsos láser como un cuerpo en movimiento. Utilizaron una técnica complicada en la cual los pulsos de luz se mueven a una velocidad "superluminal", es decir, más rápida que la velocidad de la luz en el medio ambiente.



La primera tarea en este experimento fue frenar la luz. Todos saben que la velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300,000 km / s, pero en otros entornos, la luz se mueve más lentamente, hasta que se detiene por completo . Para inhibir la luz en este experimento, los científicos llenaron un túnel entre dos placas hechas de una mezcla de caucho de organosilicio y polvo de óxido de aluminio en dióxido de carbono.

En este túnel se lanzaron pulsos de un láser verde que duraron 7 picosegundos. El truco es que dentro del túnel los fotones se mueven más rápido que a través de las placas a lo largo del túnel. Por lo tanto, al moverse a lo largo del túnel, los pulsos láser dejaron un rastro cónico de ondas de luz más lentas, que, como resultado de la dispersión, se superpusieron entre sí en las placas: este es el cono de Mach.

En otras palabras , el gas dispersa el pulso láser y es esencialmente una fuente de luz, que se mueve a través del túnel a una velocidad más rápida que la velocidad de la luz fuera del túnel. Qué forma tal cono.



En años anteriores, ya se realizaron experimentos que registraron la presencia de conos fotónicos de Mach, pero ahora por primera vez, los científicos pudieron disparar en tiempo real en una cámara de video, ya que un solo pulso láser se mueve en el espacio.

Para hacer esto, fue necesario diseñar una cámara electrónica óptica especial (cámara de hendidura), que puede tomar hasta 100 mil millones de cuadros por segundo en una sola exposición. La cámara funcionaba en tres modos: en el primero, el fenómeno fue filmado directamente, y los otros dos registraron información de tiempo. Luego, estos datos se combinaron para obtener un video científicamente confiable de la propagación del cono de fotones de Mach.

Una cámara electrón-óptica de este diseño puede encontrar aplicación en medicina y otros campos de la ciencia para registrar fenómenos de luz impredecibles. A diferencia de otras cámaras, no hay necesidad de preajuste y miles de cuadros individuales. Esta cámara funciona a una velocidad de obturación.

Los autores sugieren que esta cámara se puede usar para grabar videos de impulsos que las neuronas intercambian entre sí en el proceso de actividad mental. Existe la oportunidad de registrar con precisión el tráfico electrónico en el cerebro humano. "Esperamos poder usar nuestro sistema para estudiar redes neuronales para comprender cómo funciona el cerebro", dijo el ingeniero óptico Jinyang Liang de la Universidad de Washington en St. Louis, autor principal del artículo de investigación.

Artículo cientificopublicado el 20 de enero de 2017 en la revista Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/es400837/