Statki powietrzne przy prędkościach naddźwiękowych tworzą grom dźwiękowy. Teoretycznie, każde ciało poruszające się w płynie z prędkością większą od fali dźwiękowej w tym ośrodku może wywoływać zjawisko akustycznej fali uderzeniowej. Jak się okazało, również impulsy światła mogą tworzyć stożek Macha. Teraz, dzięki superszybkiemu aparatowi fotograficznemu, po raz pierwszy w historii naukowcy uchwycili przekroczenie bariery światła.
Obiekt przemieszczający się w cieczy lub gazie tworzy fale ciśnienia, które poruszają się z prędkością dźwięku we wszystkich kierunkach. Jeśli obiekt porusza się z prędkością równą lub większą niż dźwięk, to wyprzedza te fale ciśnienia. W rezultacie tworzy falę uderzeniową znaną jako grom dźwiękowy.
Jest on ograniczony do regionów znanych jako stożki Macha, które rozciągają się głównie w tylnej części przedmiotów poruszających się naddźwiękowo. Podobne zdarzenia obejmują fale w kształcie litery V, które może generować jacht kiedy płynie szybciej niż fale tworzone przez niego na wodzie.
“Bariera dźwięku” to prędkość, z jaką porusza się fala w danym ośrodku. Można ją oczywiście przekroczyć i nie jest to w żaden sposób zjawisko niezwykłe. Jednak, już od blisko stu lat wiadomo, że przekroczenie tzw. prędkości granicznej rozchodzenia się energii, czyli np. światła w próżni, nie jest możliwe. Można jednak spowolnić wiązkę światła przez przepuszczenie jej przez dowolny ośrodek, gdyż poza próżnią światło może poruszać się z mniejszą prędkością. Ośrodek takim może być woda czy szkło – na przykład światło przechodzi przez szkło z prędkością o 40% mniejszą. Poprzez wykorzystanie tej cechy można “wyprzedzić światło”.
Grafika przedstawiająca fotoniczny stożek Macha.
Wcześniejsze badania sugerowały, że światło może wygenerować zjawisko podobne do grzmotów dźwiękowych. Teraz po raz pierwszy naukowcy uwiecznili na nagraniu to niezwykłe zjawisko.
Fakt, że światło w jednym materiale może podróżować szybciej niż w innym pomógł naukowcom wygenerować fotoniczne stożki Macha. Najpierw główny autor badania Jinyang Liang – inżynier optyczny przy Washington University w St. Louis – wraz ze współpracownikami zbudował wąski tunel wypełniony dymem z suchego lodu. Tunel ten umieszczono jako przekładkę pomiędzy płytami wykonanymi z mieszanki kauczuku silikonowego i sproszkowanego tlenku glinu.
Następnie naukowcy wystrzelili impulsy zielonego światła laserowego – każdy trwający tylko 7 pikosekundy – w tunel. Impulsy te mogłyby rozproszyć się w dymie suchego lodu w tunelu, generując fale świetlne.
Zielone światło, które naukowcy wykorzystali, podróżowało szybciej wewnątrz tunelu, niż to miało miejsce w płytkach. Kiedy impuls laserowy przesunięto w dół tunelu, pozostawił stożek wolniej poruszających, nakładających się fal świetlnych.
Aby uchwycić to niebywałe zjawisko rozpraszania światła, naukowcy z Washington University opracowali ultraszybki aparat fotograficzny, który rzeczywiście może złapać “light boom” w akcji. Przechwytuje on obraz z prędkością 100 miliardów klatek na sekundę w pojedynczej ekspozycji.
Schemat działania technologii LLE_CUP.
Ta technologia może otworzyć drzwi do rewolucyjnej nowej nauki. „Mamy nadzieję, że będziemy mogli skorzystać z naszego systemu do badania sieci neuronowych, aby zrozumieć, jak działa mózg” – mówią naukowcy. Być może pozwoli spojrzeć nie tylko na funkcjonowanie neuronów i komórek nowotworowych, ale też zostanie wykorzystany do lepszego zbadania światła pochodzącego z obiektów takich jak supernowa.
