Kerucut foton mach pertama kali difilmkan. Otak berikutnya

Jika Anda pernah berdiri di samping pesawat supersonik terbang, Anda mungkin ingat suara memekakkan telinga dari gelombang kejut , yang menyertai gerakan tubuh pada kecepatan lebih dari Mach 1, yaitu, lebih dari kecepatan suara di media ini. Wilayah perambatan gelombang kejut dari pesawat supersonik dibatasi oleh kerucut Mach . Sekelompok ilmuwan dari Universitas Illinois di Urban-Champaign (AS) dan Universitas Riset Tsinghua (Cina) berhasil menangkap "gelombang kejut" foton untuk pertama kalinya pada kamera video . Seperti halnya suara, foton cahaya memiliki sifat gelombang, oleh karena itu mereka membentuk kerucut Mach yang sama jika tubuh bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya di lingkungan.

Kerucut suara mach

Kerucut Mach terjadi ketika tubuh bergerak lebih cepat dari gelombang yang dihasilkannya. Paling sering mereka berbicara tentang gelombang kejut suara dari pesawat terbang yang terbang dengan kecepatan lebih dari Mach 1, yaitu, lebih dari kecepatan suara di lingkungan tertentu.

Secara umum, ketika bepergian dengan kecepatan transonik, serangkaian efek menarik dimanifestasikan, termasuk efek Prandtl-Glauert : awan indah di belakang pesawat terbang.


Efek Prandtl-Glauert: fenomena kondensasi kelembaban atmosfer di belakang objek yang bergerak dengan kecepatan transonik

Awan muncul dari kenyataan bahwa sebuah pesawat terbang dengan kecepatan tinggi menciptakan area dengan tekanan rendah di belakangnya. Setelah lewat, area ini mengisi udara di sekitarnya, di mana suhu udara turun tajam di bawah titik embun (suhu melonjak akibat proses adiabatik). Jika kelembabannya tinggi, uap air mengembun dalam bentuk tetesan kecil yang membentuk awan.

Perambatan gelombang kejut suara juga merupakan proses adiabatik, serta efek Prandtl-Gloert. Di sini, di udara ada lompatan dalam tekanan, kepadatan, suhu dan kecepatan udara. Suara itu sendiri berarti fluktuasi dalam kepadatan, kecepatan dan tekanan medium. Proses adiabatik pada kecepatan supersonik disertai dengan gelombang kejut, yang pada jarak dari sumber energi berubah menjadi gelombang suara, dan kecepatan rambatnya mendekati kecepatan suara.

Awan Prandtl-Gloert yang ditunjukkan di atas tidak secara langsung terkait dengan gelombang kejut. Itu muncul hanya karena pendinginan udara dan kondensasi. Artinya, proses ini tidak dapat disebut "visualisasi" kerucut Mach. Tetapi percobaan oleh para ilmuwan dari Universitas Illinois di Urbana-Champaign dan Universitas Tsinghua adalah pengamatan langsung dari efek ini. Tidak hanya untuk suara, tetapi untuk cahaya.

Mach Light Cone

Gelombang kejut cahaya juga memiliki bentuk kerucut, seperti gelombang kejut suara. Untuk merekamnya di video, para peneliti menggunakan pulsa laser sebagai benda bergerak. Mereka menggunakan teknik rumit di mana pulsa cahaya bergerak pada kecepatan "superluminal", yaitu, lebih cepat dari kecepatan cahaya di lingkungan.



Tugas pertama dalam percobaan ini adalah mengerem cahaya. Semua orang tahu bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sekitar 300.000 km / s, tetapi di lingkungan lain, cahaya bergerak lebih lambat, sampai berhenti sepenuhnya . Untuk menghambat cahaya dalam percobaan ini, para ilmuwan mengisi sebuah terowongan di antara dua lempeng yang terbuat dari campuran karet organosilicon dan bubuk aluminium oksida dalam karbon dioksida.

Dalam terowongan ini pulsa laser hijau diluncurkan selama 7 picoseconds. Kuncinya adalah bahwa di dalam terowongan foton bergerak lebih cepat daripada melalui pelat di sepanjang terowongan. Oleh karena itu, ketika bergerak di sepanjang terowongan, pulsa laser meninggalkan jejak kerucut gelombang cahaya yang lebih lambat, yang, sebagai akibat dari hamburan, saling bertumpukan satu sama lain di piring - ini adalah kerucut Mach.

Dengan kata lain , pulsa laser tersebar oleh gas dan pada dasarnya adalah sumber cahaya, bergerak melalui terowongan dengan kecepatan lebih cepat daripada kecepatan cahaya di luar terowongan. Apa yang membentuk kerucut seperti itu.



Pada tahun-tahun sebelumnya, percobaan telah dilakukan yang merekam keberadaan kerucut fotonik Mach, tetapi sekarang untuk pertama kalinya, para ilmuwan dapat menembak secara real time pada kamera video ketika satu pulsa laser bergerak di ruang angkasa.

Untuk melakukan ini, perlu dirancang kamera elektron-optik khusus (slit camera), yang dapat memakan waktu hingga 100 miliar frame per detik dalam satu pencahayaan. Kamera bekerja dalam tiga mode: pada yang pertama, fenomena ditembak langsung, dan dua lainnya mencatat informasi waktu. Kemudian data ini digabungkan untuk mendapatkan video propagasi kerucut foton Mach yang dapat diandalkan secara ilmiah.

Kamera elektron-optik dari desain ini dapat menemukan aplikasi dalam bidang kedokteran dan bidang sains lainnya untuk merekam fenomena cahaya yang tidak dapat diprediksi. Tidak seperti kamera lain, tidak ada kebutuhan untuk pengaturan awal dan ribuan frame individu. Kamera ini beroperasi pada satu kecepatan rana.

Para penulis menyarankan bahwa kamera ini dapat digunakan untuk merekam video impuls yang pertukaran neuron di antara mereka sendiri dalam proses aktivitas mental. Ada peluang untuk secara akurat mendaftarkan lalu lintas elektronik di otak manusia. "Kami berharap bahwa kami dapat menggunakan sistem kami untuk mempelajari jaringan saraf untuk memahami cara kerja otak," kata insinyur optik Jinyang Liang dari Universitas Washington di St. Louis, penulis utama makalah penelitian.

Artikel ilmiahditerbitkan 20 Januari 2017 dalam jurnal Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/id400837/