برای نخستین بار، شکسته شدن "دیوار نوری" به تصویر کشیده شد

* درست همان گونه که هواپیماها در پرواز با سرعت‌های بالاتر از سرعت صوت می‌توانند غرش‌های صوتی (sonic boom) مخروطی-شکل درست کنند، تپ‌های نور هم می‌توانند ردهای مخروطی-شکلی از نور پشت سر خود پدید بیاورند. اکنون دانشمندان به کمک یک دوربین ابَرسریع توانسته‌اند برای نخستین بار فیلم چنین رویدادی را ثبت کنند.

به گفته‌ی پژوهشگران، فناوری تازه‌ای که برای این کشف به کار رفت می‌تواند روزی به دانشمندان در دیدن "آتش یاخته‌های عصبی" (برانگیختگی نورون‌ها) و تصویربرداری زنده از فعالیت‌های مغز کمک کند.
این نقاشی یک به اصطلاح مخروط نوری ماخ را نشان می‌دهد که چیزی مانند یک غرش صوتی است؛ ولی در این مورد، رد مخروطی تپ‌های نوری دیده می‌شود.
دانش پشت این فناوری
هنگامی که جسمی در هوا حرکت می‌کند، هوایی که جلویش است را کنار می‌زند و امواج فشاری تولید می‌کند که با سرعت صوت در همه‌ی جهت‌ها حرکت می‌کنند. اگر این جسم با سرعت زِبَرصوتی (بیش از سرعت صوت) حرکت کند، خودش از این امواج فشار پیشی می‌گیرد. در نتیجه، امواج فشارِ این جسمِ سریع روی هم انباشته می‌شوند و امواج شوکی به نام "غرش صوتی" (sonic boom) پدید می‌آورند که با صدایی مانند تُندر به گوش می‌رسند.

غرش‌های صوتی محدود به مناطقی مخروطی هستند که به نام "مخروط‌های ماخ" شناخته شده و به طور عمده رو به پشت جسمِ زبَرصوت گسترده می‌شوند. نمونه‌ای از این پدیده موج‌های کمانی V-شکلی است که اگر یک قایق با سرعتی بیش از سرعت امواج آب که خودش آنها را از سر راهش کنار می‌زند حرکت کند پدید می‌آیند.

پژوهش‌‌های گذشته نشان می‌دادند که نور هم می‌تواند ردهایی مخروطی همانند غرش صوتی پدید بیاورد. اکنون برای نخستین بار دانشمندان توانسته‌اند این "مخروط‌های ماخ نوری" (photonic Mach cones) را به تصویر بکشند.

نور در خلا با سرعتی نزدیک به ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند. بر پایه‌ی نظریه‌ی نسبیت اینشتین، هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلا حرکت کند. ولی این سرعت بیشینه‌ی نور است و می‌تواند با سرعتی کمتر هم حرکت کند- برای نمونه، سرعت نور در شیشه حدود ۶۰ درصد سرعت آن در خلا است. در حقیقت دانشمندان توانسته بودند در آزمایش‌های پیشین سرعت نور را تا بیش از یک میلیون بار کمتر کنند.

این واقعیت که نور می‌تواند در یک ماده سریع‌تر از ماده‌ی دیگر حرکت کند به دانشمندان کمک کرد تا مخروط‌های ماخ نوری پدید آورند. جین‌یانگ لیانگ، نویسنده‌ی اصلی این پژوهش که مهندس نورشناسی در دانشگاه واشنگتن، سن‌لوییس است، به همراه همکارانش یک تونل باریک پر از مه یخ خشک طراحی کردند. این تونل میان صفحه‌هایی از جنس آمیزه‌ی لاستیک سیلیکون و گَرد اکسید آلومینیوم جا داده شده بود.

سپس این پژوهشگران تپ‌هایی از نور لیزر سبز در تونل شلیک کردند- هر کدام تنها به مدت ۷ پیکوثانیه (۷ تریلیونیم ثانیه). این تپ‌ها توانستند از روی ذرات یخ خشکِ درون تونل پراکنده شده و امواجی از نور تولید کنند که می‌توانست وارد صفحه‌های پیرامون شود.

نور سبزی که دانشمندان به کار برده بودند سرعتش در تونل بیش از سرعتش در صفحه‌ها بود. به این ترتیب، لیزر با پیشروی در تونل، مخروطی از امواج نوریِ کم-سرعت‌ترِ روی هم افتاده درون صفحه‌ها به جای می‌گذاشت.
دانشمندان با بهره از یک "دوربین سریع" توانسته‌اند رد مخروطی-شکل نور یا به اصطلاح، مخروط نوری ماخ را به تصویر بکشند. این یک تصویر پویا (gif) به بزرگی حدود ۱ مگابایت است. برای بارگذاری کامل آن شکیبا باشد.
دوربین سریع
پژوهشگران برای فیلمبرداری از این رویدادهای گریزانِ پراکندگی نور یک "دوربین سریع" (دوربین رگه رگه- streak camera) به کار بردند که می‌توانست در هر نوردهی، با سرعت ۱۰۰ میلیارد نما در ثانیه عکس بگیرد. این دوربین نوساز سه دیدگاه گوناگون از این پدیده ثبت کرد: یک تصویر مستقیم از این صحنه، و دو تا که اطلاعات گذرای رویدادها را ثبت کردند تا دانشمندان بتوانند چیزی که رخ داده بود را نما به نما (فریم به فریم) بازسازی کنند. در اصل آنها برای هر عکس یک رمزینه‌ی ویژه‌ گذاشتند تا به گفته‌ی لیانگ: «حتی اگر در مدت گردآوری همه‌ی داده‌ها با یکدیگر مخلوط هم شوند، بتوانیم آنها را جدا و دسته‌بندی کنیم.»

سامانه‌های تصویربرداری دیگری هم هستند که می‌توانند رویدادهای ابرسریع را ثبت کنند، ولی این سامانه‌ها معمولا نیاز به این دارند که پیش از دیدن چنین پدیده‌ای، صدها یا هزاران نوردهی رویش انجام دهند. برخلاف آنها، این سامانه‌ی تازه می‌تواند رویدادهای ابرسریع را تنها با یک بار نوردهی ثبت کند. از این راه می‌تواند رویدادهای پیچیده و پیش‌بینی‌ناپذیری را ثبت کند که شاید در هر بار رخ دادن، دقیقا به همان شیوه‌ی پیشین رخ ندهد؛ همان چیزی که برای مخروط‌های نوری ماخ که لیانگ و هکارانش به تصویر کشیدند روی داد: ذرات ریزی که نور را می‌پراکندند، به طور کتره‌ای و بی‌نظم به این سو و آن سو می‌رفتند.

پژوهشگران می‌گویند روش تازه‌ی آنها می‌تواند برای ثبت رویدادهای ابرسریع در زمینه‌های پیچیده‌ی پزشکی مانند بافت‌های زنده یا جریان خون سودمند باشد. لیانگ می‌گوید: «دوربین ما به اندازه‌ی کافی سریع هست که آتش یاخته‌های عصبی را ببیند و از رخدادهای درون مغز عکس زنده بگیرد. ما امیدواریم بتوانیم با بهره از این سامانه‌، شبکه‌های عصبی را بررسی کرده و با شیوه‌ی کار مغز آشنا شویم.»

این دانشمندان جزییات یافته‌های خود را در شماره‌ی ۲۰ ژانویه‌ی نشریه‌ی ساینس اَدوَنسز منتشر کردند.

--------------------------------------------
به کانال تلگرام یک ستاره در هفت آسمان بپیوندید:

واژه نامه:
supersonic - sonic boom - neuron fire - brain - pressure wave - shock wave - thunder - Mach cone - bow wave - photonic Mach cone - vacuum - Einstein - theory of relativity - Jinyang Liang - optical engineer - Washington University - St. Louis - dry ice - silicone rubber - aluminum oxide - laser - streak camera - biomedical - living tissue - brain - Science Advances -

منبع: Space.com

0 دیدگاه شما:

Blogger template 'Browniac' by Ourblogtemplates.com 2008

بالای صفحه