Prozkoumejte jevy chaosu pomocí jedné z nejrychlejších kamer na světě

Obrazový kredit: Caltech

V životě existují věci, které lze docela dobře předvídat. Příliv stoupá a klesá. Měsíc roste a mizí. Kulečníková koule skáče kolem stolu podle uspořádané geometrie.

A pak existují věci, které nelze snadno předvídat: hurikán bez varování mění směr. Stříkající voda ve fontáně. Půvabný nepořádek větví, které rostou ze stromu.

Tyto a podobné jevy lze popsat jako chaotické systémy a vyznačují se chováním, které je zpočátku předvídatelné, ale v průběhu času se stává stále více a více náhodným.

Kvůli obrovské roli, kterou chaotické systémy hrají ve světě kolem nás, se vědci a matematici dlouho snažili lépe jim porozumět. Nyní Lihong Wang z Caltechu, profesor Bren v oddělení lékařského inženýrství Andrewa a Peggy Cherng, vyvinul nový nástroj, který by mohl při tomto hledání pomoci.

V posledním vydání Pokrok ve věděWang popisuje, jak použil ultrarychlou kameru své vlastní konstrukce, která zaznamenávala video rychlostí miliardy snímků za sekundu, aby sledovala pohyb laserového světla v komoře speciálně navržené pro vytváření chaotických odrazů.

Chaotická optická dutina

Video zaznamenané kamerou, která zaznamenává miliardu snímků za sekundu, ukazuje dva pulsy laserového světla, které se ubírají různými cestami, které se odrážejí v chaotické optické dutině. Obrazový kredit: Caltech

„Některé dutiny nejsou špinavé, takže cesta světla je předvídatelná,“ říká Wang. V současné práci použil on a jeho kolegové tuto ultrarychlou kameru jako nástroj pro zkoumání chaotické dutiny „ve které světlo pokaždé, když experiment opakujeme, vydá jinou cestou“.

Fotoaparát využívá technologii zvanou komprimovaná ultrarychlá fotografie (CUP), kterou Wang ukázal v jiném výzkumu a dosahuje rychlosti až 70 bilionů snímků za sekundu. Rychlost, jakou kamera CUP zaznamenává video, umožňuje vidět světlo – nejrychlejší věc ve vesmíru – během cestování.

CUP kamery však mají ještě jednu vlastnost, díky které jsou jedinečné pro studium chaotických systémů. Na rozdíl od konvenční kamery, která pořizuje jeden video obraz najednou, CUP kamera pořizuje v podstatě všechny obrazy najednou. Tímto způsobem může kamera zachytit celou chaotickou cestu laserového paprsku skrz komoru najednou.

To je důležité, protože v chaotickém systému je chování pokaždé jiné. Pokud by kamera zachytila ​​pouze část akce, nezaznamenané chování by nikdy nebylo možné prozkoumat, protože by se už nikdy neobjevilo úplně stejným způsobem. Bylo by to jako pokusit se vyfotografovat ptáka, ale pomocí fotoaparátu, který dokáže zachytit pouze jednu část těla najednou. Také pokaždé, když pták přistál poblíž vás, byl jiný druh. I když byste se mohli pokusit spojit všechny své fotografie dohromady do kompozitního ptačího obrázku, měl by tento dlážděný pták vraní zobák, čápův krk, kachní křídla, ocas jestřába a nohy kuřete. Není to úplně užitečné.

Wang říká, že schopnost jeho kamery CUP zachytit chaotický pohyb světla by mohla vdechnout nový život studiu optického chaosu, který má aplikace ve fyzice, komunikacích a kryptografii.

„Před chvílí to bylo velmi horké pole, ale ustoupilo to, možná proto, že jsme neměli potřebné nástroje,“ říká. “Experimentátoři ztratili zájem, protože nemohli experimentovat, a teoretici ztratili zájem, protože nemohli experimentálně ověřit své teorie.” Byla to zábavná ukázka, která měla lidem v terénu ukázat, že konečně mají experimentální nástroj. “

Článek s názvem „Pozorování a kontrola optického chaosu v reálném čase“, popisující výzkum, se objevuje v čísle 13. ledna Pokrok ve vědě. Spoluautoři jsou Linran Fan, dříve Caltech, nyní odborný asistent na Wyant College of Optical Sciences na University of Arizona; a Xiaodong Yan a Han Wang z University of Southern California.

Odkaz: „Pozorování a kontrola optického chaosu v reálném čase“, autor: Linran Fan, Xiaodong Yan, Han Wang a Lihong V. Wang, 13. ledna 2021, Pokrok ve vědě.
DOI: 10.1126 / sciadv.abc8448

Výzkum byl financován z programu Young Investigator Programu Army Research Office, z úřadu pro vědecký výzkum letectva, National Science Foundation a National Institutes of Health.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.