Если вы когда-нибудь стояли рядом с пролетающим сверхзвуковым самолётом, то наверняка запомнили оглушающий звук ударной волны, которым сопровождается движение тела на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде. Область распространения ударной волны от сверхзвукового самолёта ограничена конусом Маха. Группе учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США) и научно-исследовательского Университета Цинхуа (Китай) удалось впервые запечатлеть на видеокамеру «ударную волну» из фотонов. Как и звук, фотоны света имеют волновую природу, поэтому образуют такой же конус Маха, если тело движется быстрее, чем скорость света в окружающей среде.

Звуковой конус Маха

Конус Маха возникает, когда тело движется быстрее, чем генерируемые им волны. Чаще всего говорят о звуковой ударной волне от самолёта, который летит на скорости более 1 Маха, то есть больше скорости звука в данной среде.

Вообще, при движении на околозвуковых скоростях проявляется целый ряд интересных эффектов, в том числе эффект Прандтля — Глоерта: красивое облако позади самолёта.

Эффект Прандтля — Глоерта: явление, заключающееся в конденсации атмосферной влаги позади объекта, движущегося на околозвуковых скоростях

Облако возникает из-за того, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область пониженного давления позади себя. После пролёта эту область заполняет окружающий воздух, в процессе чего температура воздуха резко понижается ниже точки росы (скачок температуры в результате адиабатического процесса). Если влажность воздуха велика, то водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, образующих облако.

Распространение звуковой ударной волны — тоже адиабатический процесс, как и эффект Прандтля — Глоерта. Здесь в воздушной среде происходит скачок давления, плотности, температуры и скорости воздуха. Звук сам по себе — это колебания плотности, скорости и давления среды. Адиабатический процесс при сверхзвуковой скорости сопровождается ударной волной, которая на удалении от источника энергии вырождается в звуковую волну, а скорость её распространения приближается к скорости звука.

Показанное выше облако Прандтля — Глоерта напрямую не связано с ударной волной. Оно возникает просто из-за охлаждения воздуха и образования конденсата. То есть этот процесс нельзя назвать «визуализацией» конуса Маха. А вот эксперимент учёных из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Цинхуа — это прямое наблюдение такого эффекта. Только не для звука, а для света.

Световой конус Маха

Световая ударная волна тоже имеет форму конуса, как и звуковая ударная волна. Чтобы записать его на видео, исследователи использовали в качестве движущегося тела лазерные импульсы. Они использовали хитрый приём, при котором импульсы света движутся со «сверхсветовой» скоростью, то есть быстрее, чем скорость света в окружающей среде.

Первой задачей в этом эксперименте было затормозить свет. Все знают, что скорость света в вакууме составляет около 300 000 км/с, но в других средах свет движется медленнее, вплоть до полной остановки. Чтобы затормозить свет в этом эксперименте, учёные заполнили парами сухого льда туннель между двумя пластинами, сделанными из смеси кремнийорганического каучука и порошка оксида алюминия.

В этот туннель запускали импульсы зелёного лазера продолжительностью 7 пикосекунд. Фокус в том, что внутри туннеля фотоны двигаются быстрее, чем через пластины вдоль туннеля. Поэтому при движении по туннелю лазерные импульсы оставляли за собой конический след более медленных световых волн, которые в результате рассеяния накладывались друг на друга в пластинах — это и есть конус Маха.

В предыдущие годы уже проводились эксперименты, которые регистрировали наличие фотонных конусов Маха, но сейчас впервые учёным удалось снять в реальном времени на видеокамеру, как единственный лазерный импульс движется в пространстве.

Для этого пришлось сконструировать специальную электронно-оптическую камеру (щелевую камеру), которая может делать до 100 млрд кадров в секунду на одной экспозиции. Камера работала в трёх режимах: в первом снимался непосредственно феномен, а два других регистрировали информацию о времени. Потом эти данные совместили, чтобы получить научно достоверную видеозапись распространения фотонного конуса Маха.

Электронно-оптическая камера такой конструкции может найти применение в медицине и других областях науки для регистрации непредсказуемых световых явлений. В отличие от других камер, здесь не требуется предварительная настройка и тысячи отдельных кадров. Эта камера работает на одной выдержке.

Авторы предполагают, что эту камеру можно использовать для видеосъёмки импульсов, которыми нейроны обмениваются между собой в процессе мыслительной деятельности. Появляется возможность точно регистрировать электронный трафик в мозге человека. «Мы надеемся, что сможем использовать нашу систему для изучения нейронных сетей, чтобы понять, как работает мозг», — сказал оптический инженер Цзиньян Лян (Jinyang Liang) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, ведущий автор научной работы.

Научная статья опубликована 20 января 2017 года в журнале Science Advances (doi: 10.1126/sciadv.1601814).