马赫光子锥首先被拍摄。大脑是下一个

如果您曾经站在超音速飞行飞机旁边，您可能还记得冲击波的震耳欲聋的声音，它伴随着人体以大于1马赫的速度运动，也就是说，比这种介质中的声速还高。超音速飞机的冲击波传播区域受到马赫锥的限制。伊利诺伊大学香槟分校（美国）和清华研究大学（中国）的一组科学家设法在摄像机上首次捕获了光子的“冲击波”。像声音一样，光的光子具有波动性质，因此，如果人体运动的速度快于环境中的光速，它们就会形成同一马赫锥。

马赫声锥

当人体运动快于其产生的波时，就会发生马赫锥。他们最常谈论的是来自飞机的声冲击波，该声波以超过1马赫的速度飞行，也就是说，在给定环境中的声速超过。

通常，当以跨音速飞行时，会表现出一系列有趣的效果，包括Prandtl-Glauert效果：飞机后面的美丽云朵。


Prandtl-Glauert效应：以跨音速运动的物体后，大气水分凝结的现象

云的产生是由于一架高速飞行的飞机在其自身后方形成了一个低压区域。通过后，该区域充满了周围的空气，在此期间，空气温度急剧下降至露点以下（由于绝热过程而导致的温度跳跃）。如果湿度很高，则水蒸气会以细小液滴的形式凝结成云。

声冲击波的传播以及Prandtl-Gloert效应也是绝热过程。在空气中，压力，密度，温度和空气速度都有跳跃。声音本身意味着介质的密度，速度和压力的波动。超声速的绝热过程伴随有冲击波，冲击波在距能源一定距离处退化为声波，其传播速度接近声速。

上面显示的Prandtl-Gloert云与冲击波没有直接关系。它仅由于空气冷却和冷凝而产生。即，该过程不能称为马赫锥的“可视化”。但是，伊利诺伊大学香槟分校和清华大学的科学家进行的一项实验直接观察到了这种效应。不只是为了声音，而是为了光。

马赫光锥

像声音冲击波一样，光冲击波也具有圆锥形状。为了将其记录在视频中，研究人员使用激光脉冲作为移动体。他们使用了一种棘手的技术，其中光脉冲以“超光速”速度移动，即比环境中的光速更快。



该实验的首要任务是刹车。众所周知，真空中的光速约为300,000 km / s，但在其他环境中，光的移动速度会变慢，直到完全停止。为了抑制该实验中的光，科学家在两块板之间填充了一条隧道，这两块板是由有机硅橡胶和氧化铝粉末在二氧化碳中的混合物制成的。

在此隧道中，发射绿色激光的脉冲持续7皮秒。诀窍在于，光子在隧道内部的移动速度快于沿着隧道穿过板的速度。因此，当沿着隧道移动时，激光脉冲会留下较慢光波的圆锥形轨迹，这些光波由于散射而在板中彼此叠加-这就是马赫锥。

换句话说，激光脉冲被气体散射，并且本质上是光源，其以比隧道外部的光速更快的速度在隧道中移动。是什么形成这样的圆锥体。



在过去的几年中，已经进行了记录马赫光子锥存在的实验，但是现在，科学家们第一次能够在摄像机中通过单个激光脉冲在太空中传播进行实时拍摄。

为此，有必要设计一种特殊的电子光学照相机（狭缝照相机），一次曝光每秒可拍摄多达1000亿帧。相机以三种模式工作：第一种是直接拍摄现象，另外两种是记录时间信息。然后，将这些数据组合在一起，以获得马赫光子锥传播的科学可靠的视频。

这种设计的电子光学照相机可用于医学和其他科学领域，用于记录不可预测的光现象。与其他相机不同，不需要预设和成千上万的单个帧。本相机以一个快门速度操作。

作者建议，该摄像机可用于视频记录在神经活动过程中神经元之间相互交换的冲动。有机会在人脑中准确记录电子流量。研究论文的主要作者，华盛顿大学圣路易斯分校的光学工程师金阳阳说：“我们希望我们可以使用我们的系统来研究神经网络，以了解大脑的工作原理。”

科学文章发表于2017年1月20日的《科学进展》杂志（doi：10.1126 / sciadv.1601814）。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN400837/