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为了拍摄难得的光线爆破现象科学家启用了台特殊相机

发布时间:2022-12-31 09:35   来源:

  

(原标题:为了拍摄难得的“光线爆破”现象,科学家启用了一台特殊相机)

  类似超音速飞机在飞行时产生的“音爆”现象,光源在介质中的运动速度超过介质中的光速时,也会产生类似的锥形“光爆”。

  最近,科学家们用超高速照相机首次捕捉到了这种现象。所用的技术有一天可以拍摄到神经元的放电,帮助我们理解大脑的活动。

  物体超音速运动时,被甩在身后的声波会堆成一个锥面,能量高度集中,让人感受到短暂而强烈的爆炸声,称为“音爆”。这种锥面由奥地利物理学家E。马赫于1887年首先提出,被称为马赫锥。

  音爆现象容易拍摄得到,是因为声波能量巨大,能压缩周围空气,使水汽凝结成雾,形成俗称的音爆云。虽然持续时间只有几秒,但已经足够用肉眼观察得到了。

  

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  F-18 “大黄蜂”战斗机超音速飞行时产生的音爆云。来源:Wikipedia

  而光的能量没有这么巨大,光速又极快,虽然光线的传播很早就被拍摄下来,光爆现象却一直没有直观的图像记录。

  好在光的传播速度是可以降低的。比如光在玻璃中的传播速度只有真空中的60% 左右。之前的实验也已经将光速降低到百万分之一。

  研究的主要作者,圣路易斯华盛顿大学的光学工程师Jinyang Liang和他的同事们用硅胶和氧化铝混合材料搭建了一个狭窄的隧道,中间充满雾状干冰。然后在隧道内发射绿色的激光脉冲,每个脉冲时长只有 7皮秒( 1 皮秒为 10^-12 秒)。

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  光线会经由隧道内干冰的散射,进入周围的隧道壁内。由于光线在隧道内的速度要比在壁内的速度快,所以进入壁内的光线就被甩在后面,堆叠起来形成马赫锥结构,也就是所谓的光爆。由于干冰雾的移动随机,所以这种现象不会一直持续,而是随机发生。

  为了拍摄出这个结构,研究人员使用了每秒可以拍摄 1 千亿次的“条纹相机”,这个相机不仅可以获得直接的拍摄场景,还可以记录事件的时间信息,便于科学家的逐帧再现。

  

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  科学家首次用“条纹相机”拍摄到光的马赫锥。来源:Liang等。 Sci。 Adv。2017; 3!e1601814

  之前的成像系统无法实时获取这种现象的原貌,需要成百上千次的测量才能拼凑出当时的情景。对于马赫锥这种不可预测的现象,新的成像系统“无损编码压缩超快摄影(LLE-CUP)”更有优势,一次成像就可以捕获场景。

  

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  无损编码压缩超快摄影(LLE-CUP)只需要一次成像,就能实时捕获到马赫锥的形成。来自:Jinyang Liang Lihong V。 Wang

  这项技术意味着医学影像将得到极大发展。将来,科学家们希望用这种相机观察神经元的放电,研究神经网络,以了解大脑如何工作。

  详细成果发表在 1 月 20 日的《科学进展》上。

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