Хаотические системы, такие как брызги капель или порядок роста ветвей, примечательны тем, что демонстрируют поведение, которое сначала предсказуемо, но со временем становится все более случайным. Из-за роли, которую хаотические системы играют в окружающем мире, ученые стремятся лучше понять их.
Группа ученых из Калифорнийского технологического института в США разработала прибор, который поможет исследовать их. В последнем выпуске журнала Science Advances исследователи описали уникальную сверхбыструю камеру: она записывает видео со скоростью один миллиард кадров в секунду и способна зафиксировать движение лазерного луча в помещении, специально разработанном для создания хаотических отражений.
Камера использует технологию под названием compressed ultrafast photography (CUP). В ранних работах Лихонг Ван, автор исследования, показал, что в теории приборы, построенные по этой технологии, могут записывать видео со скоростью до 70 триллионов кадров в секунду. Согласно выводам ученого, это позволяет фиксировать движение фотонов.
Кроме того, камера CUP снимает все кадры сразу, в отличие от традиционных аппаратов, которые делают один кадр за раз. Благодаря этому аппарат может запечатлеть весь хаотичный путь лазерного луча в помещении за один раз.
Это важно, поскольку в хаотической системе поведение частиц каждый раз уникальное. По словам ученых, если бы камера фиксировала только часть действия, изучить некоторые типы поведения частиц не удалось, ведь они никогда не повторились бы при новых экспериментах.
Это было бы похоже на попытку сфотографировать птицу, но с камерой, которая может запечатлеть только одну часть тела одновременно. При этом на каждом снимке была бы часть тела от птицы нового вида. Вы бы могли попытаться собрать все фотографии в единое изображение, но у птицы на нем были бы клюв вороны, шея аиста, крылья утки, хвост ястреба и ноги цыпленка.
Как отметил Ван, способность его камеры CUP запечатлеть хаотическое движение света может вдохнуть новую жизнь в изучение оптического хаоса, которое имеет прикладное значение в физике, связи и криптографии.
«Раньше у нас не было необходимых инструментов для исследований, — заявил он. — Ученые-практики потеряли интерес к этой области, поскольку не могли проводить эксперименты. И теоретики потеряли интерес, так как не могли подтвердить свои теории экспериментально. Теперь мы продемонстрировали, что существует инструмент, который позволяет проводить исследования систем».
