O cone de fótons Mach foi filmado pela primeira vez. O cérebro é o próximo

Se você já esteve ao lado de um avião supersônico voador, provavelmente se lembra do som ensurdecedor da onda de choque , que acompanha o movimento do corpo a uma velocidade superior a Mach 1, ou seja, superior à velocidade do som em um determinado ambiente. A região de propagação de ondas de choque de uma aeronave supersônica é limitada pelo cone Mach . Um grupo de cientistas da Universidade de Illinois em Urban-Champaign (EUA) e da Universidade de Pesquisa Tsinghua (China) conseguiu capturar pela primeira vez a "onda de choque" dos fótons em uma câmera de vídeo . Assim como o som, os fótons da luz têm uma natureza ondulatória e, portanto, formam o mesmo cone Mach se o corpo se mover mais rápido que a velocidade da luz no ambiente.

Cone de som Mach

O cone Mach ocorre quando o corpo se move mais rápido do que as ondas que gera. Na maioria das vezes, eles falam sobre uma onda de choque sonoro de um avião que voa a uma velocidade superior a Mach 1, ou seja, superior à velocidade do som em um determinado ambiente.

Em geral, ao viajar em velocidades transônicas, uma série de efeitos interessantes é manifestada, incluindo o efeito Prandtl-Glauert : uma bela nuvem atrás de um avião.


O efeito Prandtl-Glauert: o fenômeno da condensação da umidade atmosférica atrás de um objeto que se move a velocidades transônicas

A nuvem surge do fato de um avião voando em alta velocidade criar uma área de baixa pressão atrás de si. Após a passagem, essa área preenche o ar circundante, durante o qual a temperatura do ar cai acentuadamente abaixo do ponto de orvalho (salto de temperatura como resultado do processo adiabático). Se a umidade é alta, o vapor de água se condensa na forma de pequenas gotas formando uma nuvem.

A propagação de uma onda de choque sonoro também é um processo adiabático, assim como o efeito Prandtl-Gloert. Aqui no ar há um salto na pressão, densidade, temperatura e velocidade do ar. O som em si significa flutuações na densidade, velocidade e pressão de um meio. O processo adiabático em velocidade supersônica é acompanhado por uma onda de choque, que à distância da fonte de energia degenera em uma onda sonora, e sua velocidade de propagação se aproxima da velocidade do som.

A nuvem de Prandtl-Gloert mostrada acima não está diretamente relacionada à onda de choque. Surge simplesmente devido ao resfriamento e condensação do ar. Ou seja, esse processo não pode ser chamado de "visualização" do cone Mach. Mas um experimento de cientistas da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Tsinghua é uma observação direta desse efeito. Apenas não para som, mas para luz.

Cone de luz Mach

A onda de choque leve também tem a forma de um cone, como a onda de choque sonoro. Para gravar em vídeo, os pesquisadores usaram pulsos de laser como um corpo em movimento. Eles usaram uma técnica complicada na qual os pulsos de luz se movem a uma velocidade "superluminal", ou seja, mais rápida que a velocidade da luz no ambiente.



A primeira tarefa neste experimento foi frear a luz. Todo mundo sabe que a velocidade da luz no vácuo é de cerca de 300.000 km / s, mas em outros ambientes, a luz se move mais lentamente, até parar completamente . Para inibir a luz nesse experimento, os cientistas preencheram um túnel entre duas placas feitas de uma mistura de borracha de organossilício e pó de óxido de alumínio em dióxido de carbono.

Neste túnel foram lançados pulsos de um laser verde com duração de 7 picossegundos. O truque é que, dentro do túnel, os fótons se movem mais rápido do que através das placas ao longo do túnel. Portanto, ao se mover ao longo do túnel, o laser pulsa deixando para trás um traço cônico de ondas de luz mais lentas, que, como resultado da dispersão, se sobrepõem nas placas - este é o cone Mach.

Em outras palavras , o pulso do laser é espalhado pelo gás e é essencialmente uma fonte de luz, movendo-se através do túnel a uma velocidade mais rápida do que a velocidade da luz fora do túnel. O que forma esse cone.



Nos anos anteriores, já foram realizados experimentos que registravam a presença de cones fotônicos Mach, mas agora, pela primeira vez, os cientistas conseguiram filmar em tempo real em uma câmera de vídeo enquanto um único pulso de laser viaja no espaço.

Para fazer isso, foi necessário projetar uma câmera eletrônica ótica especial (câmera de fenda), que pode levar até 100 bilhões de quadros por segundo em uma exposição. A câmera funcionou em três modos: no primeiro, o fenômeno foi gravado diretamente e os outros dois registraram informações de tempo. Em seguida, esses dados foram combinados para obter um vídeo cientificamente confiável da propagação do cone de fótons Mach.

Uma câmera elétron-óptica deste design pode encontrar aplicação na medicina e em outros campos da ciência para registrar fenômenos de luz imprevisíveis. Ao contrário de outras câmeras, não há necessidade de predefinições e milhares de quadros individuais. Esta câmera opera em uma velocidade do obturador.

Os autores sugerem que esta câmera pode ser usada para gravar vídeos de impulsos que os neurônios trocam entre si no processo de atividade mental. Há uma oportunidade de registrar com precisão o tráfego eletrônico no cérebro humano. "Esperamos poder usar nosso sistema para estudar redes neurais para entender como o cérebro funciona", disse o engenheiro óptico Jinyang Liang, da Universidade de Washington em St. Louis, principal autor do trabalho de pesquisa.

Artigo científicopublicado em 20 de janeiro de 2017 na revista Science Advances (doi: 10.1126 / sciadv.1601814).

Source: https://habr.com/ru/post/pt400837/