В жизни есть вещи, которые можно предсказать достаточно хорошо. Приливы и отливы поднимаются и опускаются. Луна прибывает и убывает. Бильярдный шар подпрыгивает вокруг стола в соответствии с упорядоченной геометрией. И есть вещи, которые не поддаются простому предсказанию: ураган, который меняет направление без предупреждения. Плеск воды в фонтане. Изящный беспорядок ветвей, растущих с дерева.

Эти явления и другие подобные им можно описать как хаотические системы, и они примечательны тем, что демонстрируют поведение, которое сначала предсказуемо, но со временем становится все более случайным.

Из-за большой роли, которую хаотические системы играют в окружающем нас мире, ученые и математики давно стремятся лучше понять их. Теперь Лихонг Ван из Калифорнийского технологического института, профессор Брен на кафедре медицинской инженерии Эндрю и Пегги Чернг, разработал новый инструмент, который может помочь в этом поиске.

В последнем выпуске журнала Science Advances Ван описывает, как он использовал сверхбыструю камеру своей собственной конструкции, которая записывала видео со скоростью один миллиард кадров в секунду, чтобы наблюдать движение лазерного света в камере, специально разработанной для создания хаотических отражений.

"Некоторые полости не хаотичны, поэтому путь света предсказуем", - говорит Ван. Но в настоящей работе он и его коллеги использовали эту сверхбыструю камеру в качестве инструмента для изучения хаотической полости, " в которой свет каждый раз проходит по другому пути, когда мы повторяем эксперимент."

Камера использует технологию, называемую сжатой сверхбыстрой фотографией (CUP), которая, как показал Ван в других исследованиях, способна развивать скорость до 70 триллионов кадров в секунду. Скорость, с которой камера CUP снимает видео, делает ее способной видеть свет—самую быструю вещь во вселенной—во время своего путешествия.

Но у чашечных камер есть еще одна особенность, которая делает их уникальными для изучения хаотических систем. В отличие от традиционной камеры, которая снимает один кадр видео за раз, камера CUP, по сути, снимает все свои кадры одновременно. Это позволяет камере запечатлеть весь хаотический путь лазерного луча через камеру за один раз.

Это важно, потому что в хаотической системе поведение каждый раз отличается. Если бы камера запечатлела только часть действия, поведение, которое не было записано, никогда не могло бы быть изучено, потому что оно никогда не происходило бы точно таким же образом снова. Это было бы похоже на попытку сфотографировать птицу, но с камерой, которая может запечатлеть только одну часть тела за раз; кроме того, каждый раз, когда птица приземляется рядом с вами, это будет другой вид. Хотя вы можете попытаться собрать все ваши фотографии в одно сложное изображение птицы, у этой сложенной птицы будет клюв вороны, шея аиста, крылья утки, хвост ястреба и ноги курицы. Не совсем полезно.

Ван говорит, что способность его камеры CUP фиксировать хаотическое движение света может вдохнуть новую жизнь в изучение оптического хаоса, которое имеет приложения в физике, связи и криптографии.

"Некоторое время назад это было очень жаркое поле, но оно затихло, возможно, потому, что у нас не было необходимых инструментов", - говорит он. "Экспериментаторы потеряли интерес, потому что они не могли проводить эксперименты, а теоретики потеряли интерес, потому что они не могли проверить свои теории экспериментально. Это была забавная демонстрация, чтобы показать людям в этой области, что у них наконец-то есть экспериментальный инструмент."

Статья, описывающая исследование, озаглавленная "наблюдение в реальном времени и контроль оптического хаоса", появляется в номере журнала Science Advances от 13 января.

ИСТОЧНИК