Le cône de photons de Mach a été filmé pour la première fois. Le cerveau est à côté

Si vous vous êtes déjà tenu à côté d'un avion supersonique volant, vous vous souvenez probablement du son assourdissant de l'onde de choc qui accompagne le mouvement du corps à une vitesse supérieure à Mach 1, c'est-à-dire supérieure à la vitesse du son dans un environnement donné. La région de propagation des ondes de choc d'un avion supersonique est limitée par le cône Mach . Un groupe de scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urban-Champaign (États-Unis) et de l'Université de recherche Tsinghua (Chine) ont réussi à capturer «l'onde de choc» des photons pour la première fois sur une caméra vidéo . Comme le son, les photons de lumière ont une nature ondulatoire, ils forment donc le même cône Mach si le corps se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans l'environnement.

Cône de son Mach

Le cône Mach se produit lorsque le corps se déplace plus rapidement que les vagues qu'il génère. Le plus souvent, ils parlent d'une onde de choc sonore provenant d'un avion qui vole à une vitesse supérieure à Mach 1, c'est-à-dire supérieure à la vitesse du son dans un environnement donné.

En général, lorsque vous voyagez à des vitesses transsoniques, toute une série d'effets intéressants se manifestent, y compris l'effet Prandtl-Glauert : un beau nuage derrière un avion.


L'effet Prandtl-Glauert: le phénomène de condensation de l'humidité atmosphérique derrière un objet se déplaçant à des vitesses transsoniques

Le nuage provient du fait qu'un avion volant à grande vitesse crée une zone de basse pression derrière lui. Après le passage, cette zone remplit l'air ambiant, pendant lequel la température de l'air chute fortement en dessous du point de rosée (saut de température dû au processus adiabatique). Si l'humidité est élevée, la vapeur d'eau se condense sous forme de minuscules gouttelettes formant un nuage.

La propagation d'une onde de choc sonore est également un processus adiabatique, ainsi que l'effet Prandtl-Gloert. Ici, dans l'air, il y a un saut dans la pression, la densité, la température et la vitesse de l'air. Le son en soi signifie des fluctuations de la densité, de la vitesse et de la pression d'un milieu. Le processus adiabatique à vitesse supersonique s'accompagne d'une onde de choc qui, à distance de la source d'énergie, dégénère en onde sonore, et sa vitesse de propagation se rapproche de la vitesse du son.

Le nuage de Prandtl-Gloert illustré ci-dessus n'est pas directement lié à l'onde de choc. Elle survient simplement en raison du refroidissement par air et de la condensation. Autrement dit, ce processus ne peut pas être appelé "visualisation" du cône de Mach. Mais l'expérience de scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université Tsinghua est une observation directe d'un tel effet. Pas seulement pour le son, mais pour la lumière.

Mach Light Cone

L'onde de choc lumineuse a également la forme d'un cône, comme l'onde de choc sonore. Pour l'enregistrer sur vidéo, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser comme un corps en mouvement. Ils ont utilisé une technique délicate dans laquelle les impulsions de lumière se déplacent à une vitesse "superluminale", c'est-à-dire plus rapide que la vitesse de la lumière dans l'environnement.



La première tâche de cette expérience a été de freiner la lumière. Tout le monde sait que la vitesse de la lumière dans le vide est d'environ 300 000 km / s, mais dans d'autres environnements, la lumière se déplace plus lentement, jusqu'à ce qu'elle s'arrête complètement . Pour inhiber la lumière dans cette expérience, les scientifiques ont rempli un tunnel entre deux plaques faites d'un mélange de caoutchouc organosilicié et de poudre d'oxyde d'aluminium dans du dioxyde de carbone.

Dans ce tunnel, des impulsions d'un laser vert ont été lancées pendant 7 picosecondes. L'astuce est qu'à l'intérieur du tunnel, les photons se déplacent plus rapidement qu'à travers les plaques le long du tunnel. Par conséquent, en se déplaçant le long du tunnel, les impulsions laser ont laissé une trace conique d'ondes lumineuses plus lentes, qui, en raison de la diffusion, se chevauchaient dans les plaques - c'est le cône Mach.

En d'autres termes , l'impulsion laser est diffusée par le gaz et est essentiellement une source de lumière, se déplaçant à travers le tunnel à une vitesse plus rapide que la vitesse de la lumière à l'extérieur du tunnel. Qu'est-ce qui forme un tel cône.



Au cours des années précédentes, des expériences ont déjà été menées pour enregistrer la présence de cônes photoniques Mach, mais maintenant, pour la première fois, les scientifiques ont pu filmer en temps réel sur une caméra vidéo, alors qu'une seule impulsion laser se déplace dans l'espace.

Pour ce faire, il était nécessaire de concevoir une caméra spéciale à électrons optiques (caméra à fente), qui peut prendre jusqu'à 100 milliards d'images par seconde en une seule exposition. La caméra a fonctionné en trois modes: dans le premier, le phénomène a été tourné directement et les deux autres ont enregistré des informations temporelles. Ensuite, ces données ont été combinées pour obtenir une vidéo scientifiquement fiable de la propagation du cône de photons Mach.

Une caméra à électrons optiques de cette conception peut trouver une application en médecine et dans d'autres domaines scientifiques pour enregistrer des phénomènes lumineux imprévisibles. Contrairement à d'autres caméras, il n'y a pas besoin de préréglage ni de milliers de trames individuelles. Cet appareil photo fonctionne à une vitesse d'obturation.

Les auteurs suggèrent que cette caméra peut être utilisée pour l'enregistrement vidéo d'impulsions que les neurones échangent entre eux au cours de l'activité mentale. Il est possible d'enregistrer avec précision le trafic électronique dans le cerveau humain. «Nous espérons que nous pourrons utiliser notre système pour étudier les réseaux de neurones afin de comprendre comment fonctionne le cerveau», a déclaré l'ingénieur optique Jinyang Liang de l'Université de Washington à St. Louis, auteur principal du document de recherche.

Article scientifiquepublié le 20 janvier 2017 dans la revue Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/fr400837/