تمامًا مثلما تخلق الطائرات التي تحلق بسرعات تفوق سرعة الصوت طفرات صوتية على شكل مخروط ، يمكن أن تترك نبضات الضوء خلف مخروطات ضوء على شكل مخروط. الآن ، التقطت كاميرا فائقة السرعة أول فيديو على الإطلاق لهذه الأحداث.
يقول الباحثون إن التكنولوجيا الجديدة المستخدمة في هذا الاكتشاف يمكن أن تسمح للعلماء في يوم من الأيام بالمساعدة في مراقبة نشاط الخلايا العصبية وتصوير النشاط الحي في الدماغ.
العلم وراء التكنولوجيا
عندما يتحرك جسم ما عبر الهواء ، فإنه يدفع الهواء أمامه بعيدًا ، مما يخلق موجات ضغط تتحرك بسرعة الصوت في جميع الاتجاهات. إذا كان الجسم يتحرك بسرعات مساوية أو أكبر من الصوت ، فإنه يتخطى موجات الضغط تلك. ونتيجة لذلك ، تتراكم موجات الضغط من هذه الأجسام السريعة فوق بعضها البعض لخلق موجات صدمة تعرف باسم طفرات الصوت ، والتي تشبه تصفيق الرعد.
تقتصر الطفرات الصوتية على المناطق المخروطية المعروفة باسم "مخاريط الماك" التي تمتد في المقام الأول إلى الجزء الخلفي من الأجسام الأسرع من الصوت. تشمل الأحداث المماثلة موجات القوس على شكل حرف V التي يمكن أن يولدها القارب عند السفر أسرع من الموجات التي يدفعها بعيدًا عن طريقه تتحرك عبر الماء.
اقترح بحث سابق أن الضوء يمكن أن يولد استيقاظ مخروطية شبيهة بالذراع الصوتي. الآن ، وللمرة الأولى ، قام العلماء بتصوير هذه "مخاريط الماك الضوئية" المراوغة.
ينتقل الضوء بسرعة تبلغ حوالي 186000 ميل في الثانية (300000 كيلومتر في الثانية) عند التحرك عبر الفراغ. وفقا لنظرية النسبية لأينشتاين ، لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. ومع ذلك ، يمكن أن ينتقل الضوء بشكل أبطأ من سرعته القصوى - على سبيل المثال ، يتحرك الضوء عبر الزجاج بسرعات تبلغ حوالي 60 بالمائة من الحد الأقصى. في الواقع ، أدت التجارب السابقة إلى إبطاء الضوء إلى أكثر من مليون مرة.
ساعدت حقيقة أن الضوء يمكن أن ينتقل أسرع في مادة واحدة من مادة أخرى العلماء على توليد مخاريط ماخ ضوئية. أولاً ، صمم المؤلف الرئيسي للدراسة جينيانج ليانغ ، وهو مهندس بصري في جامعة واشنطن في سانت لويس ، وزملاؤه نفقًا ضيقًا مملوءًا بضباب جليدي جاف. يقع هذا النفق بين صفائح مصنوعة من مزيج من مطاط السيليكون ومسحوق أكسيد الألومنيوم.
ثم أطلق الباحثون نبضات من ضوء الليزر الأخضر - كل منها يدوم فقط 7 بيكو ثانية (تريليون من الثانية) - أسفل النفق. يمكن لهذه النبضات أن تتناثر بقع الجليد الجاف داخل النفق ، مما يولد موجات ضوئية يمكن أن تدخل الألواح المحيطة.
سافر الضوء الأخضر الذي استخدمه العلماء بشكل أسرع داخل النفق أكثر مما فعل في اللوحات. على هذا النحو ، عندما تحركت نبضة ليزر أسفل النفق ، تركت مخروطًا من موجات الضوء المتداخلة البطيئة تتحرك خلفه داخل اللوحات.
كاميرا خطية
وللتقاط فيديو لهذه الأحداث المبعثرة للضوء بعيد المنال ، طور الباحثون "كاميرا خطية" يمكنها التقاط صور بسرعة 100 مليار إطار في الثانية في تعرض واحد. التقطت هذه الكاميرا الجديدة ثلاث وجهات نظر مختلفة للظاهرة: واحدة اكتسبت صورة مباشرة للمشهد ، واثنتان سجلت معلومات زمنية للأحداث حتى يتمكن العلماء من إعادة بناء ما حدث إطارًا بإطار. وقال ليانغ في مقابلة إنهم في الأساس "يضعون رموزًا شريطية مختلفة على كل صورة فردية ، حتى إذا تم خلطها جميعًا معًا أثناء الحصول على البيانات ، يمكننا فرزها".
هناك أنظمة تصوير أخرى يمكنها التقاط الأحداث فائقة السرعة ، ولكن هذه الأنظمة تحتاج عادةً إلى تسجيل مئات أو آلاف التعرضات لهذه الظواهر قبل أن تتمكن من رؤيتها. في المقابل ، يمكن للنظام الجديد تسجيل الأحداث فائقة السرعة مع تعرض واحد فقط. وهذا من شأنه تسجيل الأحداث المعقدة التي لا يمكن التنبؤ بها والتي قد لا تتكرر بنفس الطريقة تمامًا في كل مرة تحدث فيها ، كما كان الحال مع مخاريط Mach الضوئية التي سجلها ليانغ وزملاؤه. في هذه الحالة ، تحركت البقع الصغيرة التي تشتت الضوء بشكل عشوائي.
وقال الباحثون إن أسلوبهم الجديد يمكن أن يكون مفيدًا في تسجيل الأحداث فائقة السرعة في سياقات طبية حيوية معقدة مثل الأنسجة الحية أو تدفق الدم. وقال ليانغ لـ Live Science: "إن الكاميرا الخاصة بنا سريعة بما يكفي لمشاهدة الخلايا العصبية تطلق النار وتصور حركة المرور الحية في الدماغ". "نأمل أن نتمكن من استخدام نظامنا لدراسة الشبكات العصبية لفهم كيفية عمل الدماغ."
قام العلماء بتفصيل نتائجهم على الإنترنت في 20 يناير في مجلة Science Advances.
مقالة أصلية عن العلوم الحية.
