Если вы когда-нибудь стояли рядом с пролетающим сверхзвуковым самолётом, то наверняка запомнили оглушающий звук ударной волны, которым сопровождается движение тела на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде. Область распространения ударной волны от сверхзвукового самолёта ограничена конусом Маха. Группе учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США) и научно-исследовательского Университета Цинхуа (Китай) удалось впервые запечатлеть на видеокамеру «ударную волну» из фотонов. Как и звук, фотоны света имеют волновую природу, поэтому образуют такой же конус Маха, если тело движется быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
Звуковой конус Маха
Конус Маха возникает, когда тело движется быстрее, чем генерируемые им волны. Чаще всего говорят о звуковой ударной волне от самолёта, который летит на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде.
Вообще, при движении на околозвуковых скоростях проявляется целый ряд интересных эффектов, в том числе эффект Прандтля — Глоерта: красивое облако позади самолёта.
Эффект Прандтля — Глоерта: явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях
Облако возникает из-за того, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область пониженного давления позади себя. После пролёта эту область заполняет окружающий воздух, в процессе чего температура воздуха резко понижается ниже точки росы (скачок температуры в результате адиабатического процесса). Если влажность воздуха велика, то водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, образующих облако.
Распространение звуковой ударной волны — тоже адиабатический процесс, как и эффект Прандтля — Глоерта. Здесь в воздушной среде происходит скачок давления, плотности, температуры и скорости воздуха. Звук сам по себе — это колебания плотности, скорости и давления среды. Адиабатический процесс при сверхзвуковой скорости сопровождается ударной волной, которая на удалении от источника энергии вырождается в звуковую волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука.
Показанное выше облако Прандтля — Глоерта напрямую не связано с ударной волной. Оно возникает просто из-за охлаждения воздуха и образования конденсата. То есть этот процесс нельзя назвать «визуализацией» конуса Маха. А вот эксперимент учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Цинхуа — это прямое наблюдение такого эффекта. Только не для звука, а для света.
Световой конус Маха
Световая ударная волна тоже имеет форму конуса, как и звуковая ударная волна. Чтобы записать его на видео, исследователи использовали в качестве движущегося тела лазерные импульсы. Они использовали хитрый приём, при котором импульсы света движутся со «сверхсветовой» скоростью, то есть быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
Первой задачей в этом эксперименте было затормозить свет. Все знают, что скорость света в вакууме составляет около 300 000 км/с, но в других средах свет движется медленнее, вплоть до полной остановки. Чтобы затормозить свет в этом эксперименте, учёные заполнили углекислым газом туннель между двумя пластинами, сделанными из смеси кремнийорганического каучука и порошка оксида алюминия.
В этот туннель запускали импульсы зелёного лазера продолжительностью 7 пикосекунд. Фокус в том, что внутри туннеля фотоны двигаются быстрее, чем через пластины вдоль туннеля. Поэтому при движении по туннелю лазерные импульсы оставляли за собой конический след более медленных световых волн, которые в результате рассеяния накладывались друг на друга в пластинах — это и есть конус Маха.
Другими словами, лазерный импульс рассеивается на газе и является по сути источником света, движущимся по туннелю со скоростью быстрее, чем скорость света за пределами туннеля. Что формирует такой конус.
В предыдущие годы уже проводились эксперименты, которые регистрировали наличие фотонных конусов Маха, но сейчас впервые учёным удалось снять в реальном времени на видеокамеру, как единственный лазерный импульс движется в пространстве.
Для этого пришлось сконструировать специальную электронно-оптическую камеру (щелевую камеру), которая может делать до 100 млрд кадров в секунду на одной экспозиции. Камера работала в трёх режимах: в первом снимался непосредственно феномен, а два других регистрировали информацию о времени. Потом эти данные совместили, чтобы получить научно достоверную видеозапись распространения фотонного конуса Маха.
Электронно-оптическая камера такой конструкции может найти применение в медицине и других областях науки для регистрации непредсказуемых световых явлений. В отличие от других камер, здесь не требуется предварительная настройка и тысячи отдельных кадров. Эта камера работает на одной выдержке.
Авторы предполагают, что эту камеру можно использовать для видеосъёмки импульсов, которыми нейроны обмениваются между собой в процессе мыслительной деятельности. Появляется возможность точно регистрировать электронный трафик в мозге человека. «Мы надеемся, что сможем использовать нашу систему для изучения нейронных сетей, чтобы понять, как работает мозг», — сказал оптический инженер Цзиньян Лян (Jinyang Liang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, ведущий автор научной работы.
Научная статья опубликована 20 января 2017 года в журнале Science Advances (doi: 10.1126/sciadv.1601814).
Комментарии (29)
Nuwen
22.01.2017 18:20+1но сейчас впервые учёным удалось снять в реальном времени на видеокамеру, как единственный лазерный импульс движется в пространстве
А как же эти видео?
vadim031995
22.01.2017 21:36+2Ключевое отличие этой технологии от предоставленного видео в том, что там используется миллионы отдельно снятых кадров, а здесь «до 100 млрд кадров в секунду на одной экспозиции».
qbertych
23.01.2017 16:12+1Вообще-то это одно и то же — начиная с 0:42 там именно про стрик-камеру говорят.
Светло-серая квадратная штука за рукой - это она и есть
Klenov_s
22.01.2017 22:13+2В этом видео делали тысячи одинаковых вспышек и снимали их с все нарастающей задержкой. А потом отдельные кадры отдельных вспышек собрали в видеоколлаж.
DanilinS
22.01.2017 19:20А в чем сложность? Взять оптическую среду с аномально высоким коэф. преломления. Что-бы скорость света была совсем малая. Единственно — очень сложно очень короткий импульс дать.
kordenal
22.01.2017 21:37Сложность — заставить свет двигаться в среде быстрее скорости света в среде.
Ну и заснять это на видео.
BD9
23.01.2017 10:07Часть светового импульса (волнового пакета) в среде движется со скоростью света в вакууме — т.н. «предвестники». См., например, http://know.alnam.ru/book_ofl.php?id=4
Можно сказать, что свет «пролезает между атомами» вещества.
Nuclear451
22.01.2017 21:37+2сложность — сделать камеру, способную все это заснять, насколько я понимаю статья имеет в основном инженерное значение
upsilon
22.01.2017 20:07-5Световая ударная волна тоже имеет форму конуса, как и звуковая ударная волна. Чтобы записать его на видео, исследователи использовали в качестве движущегося тела лазерные импульсы. Они использовали хитрый приём, при котором импульсы света движутся со «сверхсветовой» скоростью, то есть быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
Написано будто лазер — это не свет
В этот туннель запускали импульсы зелёного лазера продолжительностью 7 пикосекунд. Фокус в том, что внутри туннеля фотоны двигаются быстрее, чем через пластины вдоль туннеля. Поэтому при движении по туннелю лазерные импульсы оставляли за собой конический след более медленных световых волн, которые в результате рассеяния накладывались друг на друга в пластинах — это и есть конус Маха.
Лучше бы этот параграф раскрыли, а все остальное можно было уместить в пару абзацевCornelian
23.01.2017 12:42+2Идея в том, что лазерный импульс рассеивается на газе и является по сути источником света, движущимся по туннелью со скоростью быстрее, чем скорость света за пределами туннеля. Что формирует такой конус.
kahi4
23.01.2017 11:00-2Конус Маха возникает, когда тело движется быстрее, чем генерируемые им волны. Чаще всего говорят о звуковой ударной волне от самолёта, который летит на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде.
Ну вообще то нет. Точнее, звуковая ударная волна образуется в один конкретный момент — когда скорость самолета равняется скорости звука (одному маху). Когда самолет преодолевает этот барьер слышен характерный хлопок, быстрее или медленнее — обычный гул от самолета.
IT_Rebel
23.01.2017 13:17+1Специально для Вас картинка в посте… видимо волна от лодки тоже есть только тогда, когда касается ног стоящего на берегу, а дальше загадочным образом пропадает :)
SlimShaggy
24.01.2017 01:30+2Образуется — да, в момент достижения Мах 1. В этот момент она имеет вид плоскости, а при дальнейшем увеличении скорости самолета вытягивается в конус. Но этот конус сопровождает самолет в течение всего сверхзвукового полета. В момент пересечения поверхности конуса наблюдатель слышит звуковой удар, а потом — гул самолета, который слышен только внутри конуса. Наглядно форма звуковых волн на разных скоростях полета показана на этом рисунке:
Mad__Max
28.01.2017 18:53+1Т.е. если стоя на земле я слышу настающий гул двигателей реактивного самолета это 100% гарантия, что его источник (сам самолет) движется со скоростью ниже скорости звука? Иначе первым услышанным звуком всегда будет грохот ударной волны, независимо от расстояния до источника?
А если сначала гул, а потом грохот то барьер был взят непосредственно в этот момент (ну х секунд назад, где х расстояние до источника/скорость звука).
edeldm
23.01.2017 15:22-2Как и звук, фотоны света имеют волновую природу, поэтому образуют такой же конус Маха, если тело движется быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
…
Они использовали хитрый приём, при котором импульсы света движутся со «сверхсветовой» скоростью, то есть быстрее, чем скорость света в окружающей среде.
…
Другими словами, лазерный импульс рассеивается на газе и является по сути источником света, движущимся по туннелю со скоростью быстрее, чем скорость света за пределами туннеля.
Сколько бы раз ни говори, а желтушность будет всегда нарушать законы физики.
Ничто не может двигаться быстрее скорости света! (понятие «мыслей» и т.д. — не в счет)
Объяснения наблюдений переведены неверно, описания переведены неверно!
Вся статья переведена некорректно!Camill
23.01.2017 17:11+1Вы, главное, восклицательных знаков не жалейте. И ни в коем случае не опускайтесь до конструктивной критики: «X переведено как Y, а на самом деле в оригинале Z» — представьте какой будет ужас, если все начнут подобные комментарии писать?
Eol
23.01.2017 16:44+2Может, я чего не понимаю — но чем это отличается от эффекта Вавилова-Черенкова? Тем, что они это дело визуализировали?
Иначе сформулирую — в чем научная новизна?qbertych
23.01.2017 17:23Такой же вопрос возник. Правильный ответ — да ни в чем. Просто красивое видео.
(В мотивации написано про imaging in scattering media for biomedicine, что, очевидно, притянуто за уши. Не удивлюсь, если первоначальной идеей было увидеть конус Маха в пустотелом оптоволокне.)
Cornelian
23.01.2017 20:49В эффекте Вавилова-Черенкова происходит рождение новых фотонов вокруг движущейся частицы, что не очевидно — заряженная частица, движущаяся без ускорения излучать не должна. Тут ничего не рождается, просто рассеивается на газе в канале. Лазерный импульс используется как быстролетящая лампочка.
Mad__Max
28.01.2017 19:01Вавилова-черенкова это излучение возникающее при движении любой заряженной частицы в среде со скоростью выше чем скорость света в этой среде.
Свет по определению не может являться его источником, т.к. фотоны это не заряженные частицы и всегда движутся в среде со скоростью света в этой среде. Новизна условная — получили аналог этого излучения от источника, который сам по себе не может таких свойств проявлять.Eol
28.01.2017 21:10Ну это же вопрос совершенно философский. Свет вообще не может испускать свет, тут же в конечном итоге происходит переизлучение/рассеяние света молекулами углекислого газа.
sonik_spb
23.01.2017 16:54+1Не понимаю как такая камера позволит смотреть и записывать активность нейронов в мозге? Это надо их между пластинами зажимать? Хотя это же сделано только для эксперимента со светом…
Соль то в чём? просто крутая камера по каким-то характеристикам? Если да, то по каким? Ничего не понял :(
vdvvdv
23.01.2017 17:10«Показанное выше облако Прандтля — Глоерта напрямую не связано с ударной волной».
Не совсем так. При дозвуковой общей скорости аппарата, локально, при обтекании, могут возникать локальные сверхзвуковый потоки. Здесь формируются локальные скачки уплотнений. Перед скачком — сверхзвуковая скорость, после скачка — дозвуковая. Переход скачкообразный — ударная волна.
ThunderCat
Я знал! Это все снято в реале! Лукас там был!