เช่นเดียวกับเครื่องบินที่บินด้วยความเร็วเหนือเสียงจะสร้างบอมโซนิคที่มีรูปทรงกรวยพัลส์ของแสงสามารถทิ้งไว้ข้างหลังแสงที่มีรูปทรงกรวย ตอนนี้กล้องที่เร็วที่สุดได้จับภาพวิดีโอเหตุการณ์เหล่านี้เป็นครั้งแรก
เทคโนโลยีใหม่ที่ใช้ในการค้นพบครั้งนี้อาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถช่วยเฝ้าดูไฟของเซลล์ประสาทและกิจกรรมการถ่ายทอดภาพในสมองได้
วิทยาศาสตร์เบื้องหลังเทคโนโลยี
เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ผ่านอากาศมันจะผลักอากาศออกไปด้านหน้าทำให้เกิดคลื่นแรงดันที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วของเสียงในทุกทิศทาง หากวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับหรือมากกว่าเสียงวัตถุนั้นจะมีความเร็วมากกว่าคลื่นแรงดันเหล่านั้น เป็นผลให้คลื่นความดันจากวัตถุเร่งเหล่านี้ซ้อนทับกันเพื่อสร้างคลื่นกระแทกที่เรียกว่าโซนิคบูมซึ่งคล้ายกับเสียงฟ้าร้อง
Sonic booms ถูกกักขังอยู่ในพื้นที่รูปกรวยที่รู้จักกันในชื่อ "Mach cones" ซึ่งส่วนใหญ่ขยายไปทางด้านหลังของวัตถุเหนือเสียง เหตุการณ์ที่คล้ายกัน ได้แก่ คลื่นโค้งรูปตัววีที่เรือสามารถสร้างได้เมื่อเดินทางเร็วกว่าคลื่นที่มันเคลื่อนตัวออกนอกเส้นทาง
การวิจัยก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่าแสงสามารถสร้างความตื่นตัวในรูปทรงกรวยคล้ายกับโซนิคบูม ตอนนี้เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้ถ่ายภาพเหล่านี้ "photonic Mach cones" ที่เข้าใจยาก
แสงเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 186,000 ไมล์ต่อวินาที (300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) เมื่อเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศ ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ไม่มีอะไรสามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสงในสุญญากาศ อย่างไรก็ตามแสงสามารถเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วสูงสุดได้เช่นแสงเคลื่อนที่ผ่านกระจกด้วยความเร็วประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ของสูงสุด อันที่จริงการทดลองก่อนหน้านั้นทำให้แสงช้าลงมากกว่าหนึ่งล้านเท่า
ความจริงที่ว่าแสงสามารถเดินทางได้เร็วขึ้นในวัสดุหนึ่งมากกว่าอีกวัสดุหนึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สร้างกรวยโทนิคมัค ขั้นแรกให้ผู้เขียนนำการศึกษา Jinyang Liang วิศวกรแสงที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์และเพื่อนร่วมงานของเขาออกแบบอุโมงค์แคบ ๆ ที่เต็มไปด้วยหมอกน้ำแข็งแห้ง อุโมงค์นี้ถูกคั่นกลางระหว่างแผ่นเปลือกโลกที่ทำจากยางซิลิโคนและผงอะลูมิเนียมออกไซด์
จากนั้นนักวิจัยได้ยิงแสงเลเซอร์สีเขียวซึ่งแต่ละอันนั้นมีความยาวเพียง 7 picoseconds (หนึ่งล้านล้านวินาที) ลงสู่อุโมงค์ พัลส์เหล่านี้สามารถกระจายออกจากจุดของน้ำแข็งแห้งภายในอุโมงค์ทำให้เกิดคลื่นแสงที่สามารถเข้าสู่แผ่นรอบข้าง
แสงสีเขียวที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เดินทางเร็วกว่าในอุโมงค์มากกว่าในแผ่น เมื่อเลเซอร์พัลส์เคลื่อนตัวลงในอุโมงค์มันก็ปล่อยให้กรวยของคลื่นแสงที่เคลื่อนที่ช้าลงซ้อนทับอยู่ด้านหลังภายในจาน
กล้องแนว
ในการจับภาพวิดีโอของเหตุการณ์แสงกระจัดกระจายเหล่านี้นักวิจัยได้พัฒนา "กล้องแนว" ซึ่งสามารถจับภาพด้วยความเร็ว 100 ล้านเฟรมต่อวินาทีในการเปิดรับครั้งเดียว กล้องใหม่นี้จับภาพมุมมองที่แตกต่างกันสามอย่างของปรากฏการณ์: ภาพที่ได้รับโดยตรงจากฉากและอีกสองภาพที่บันทึกข้อมูลชั่วคราวของเหตุการณ์เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างสิ่งที่เกิดขึ้นทีละเฟรม โดยพื้นฐานแล้วพวกเขา "ใส่บาร์โค้ดที่แตกต่างกันในภาพแต่ละภาพดังนั้นแม้ว่าในระหว่างการรวบรวมข้อมูลพวกเขาทั้งหมดผสมกันเราสามารถแยกแยะออกได้" เหลียงกล่าวในการสัมภาษณ์
มีระบบการถ่ายภาพอื่น ๆ ที่สามารถจับภาพเหตุการณ์ที่รวดเร็วมาก แต่โดยปกติแล้วระบบเหล่านี้จำเป็นต้องบันทึกการเปิดเผยปรากฏการณ์ดังกล่าวเป็นร้อยหรือพันก่อนที่จะเห็นได้ ในทางตรงกันข้ามระบบใหม่สามารถบันทึกเหตุการณ์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษด้วยการเปิดรับเพียงครั้งเดียว สิ่งนี้ทำให้ตัวเองต้องบันทึกเหตุการณ์ที่ซับซ้อนคาดเดาไม่ได้ซึ่งอาจไม่ซ้ำตัวเองในลักษณะเดียวกันทุกครั้งที่เกิดขึ้นเช่นในกรณีของเครื่องโทนิคกรวยที่เหลียงและเพื่อนร่วมงานของเขาบันทึกไว้ ในกรณีนั้นจุดเล็ก ๆ ที่กระจัดกระจายแสงเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ แบบสุ่ม
นักวิจัยกล่าวว่าเทคนิคใหม่ของพวกเขาสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในการบันทึกเหตุการณ์ที่เร็วมากในบริบททางชีวการแพทย์ที่ซับซ้อนเช่นเนื้อเยื่อมีชีวิตหรือเลือดไหล “ กล้องของเราเร็วพอที่จะรับชมเซลล์ประสาทไฟและภาพการจราจรสดในสมอง” เหลียงบอกวิทยาศาสตร์การถ่ายทอดสด "เราหวังว่าเราจะสามารถใช้ระบบของเราเพื่อศึกษาโครงข่ายประสาทเทียมเพื่อทำความเข้าใจว่าสมองทำงานอย่างไร"
นักวิทยาศาสตร์ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับสิ่งที่ค้นพบทางออนไลน์วันที่ 20 มกราคมในวารสาร Science Advance
บทความต้นฉบับเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์สด
