Pozrite si
Dá sa „vidieť“ svetlo v pohybe? V garáži jedného youtubera áno. Materiálový vedec Brian Haidet, známy ako AlphaPhoenix, predstavil nový experiment, v ktorom zachytáva cestu laserového lúča medzi zrkadlami pri rýchlosti dvoch miliárd snímok za sekundu.
Výsledok je hypnotický, fotóny postupujú po miestnosti a v závislosti od polohy kamery pôsobia raz pomalšie, inokedy takmer okamžité. Nie je to trik s time-lapse, ale skutočné meranie času letu svetla, aj keď s jednou veľkou podmienkou.
Namiesto klasického senzora so státisícmi pixelov používa Haidet „kameru“, ktorá dokáže snímať iba jediný pixel. Z jednopixelových klipov potom skladá obraz ako dlaždice. Ak sú všetky synchronizované, vznikne sekvencia, ktorá verne zodpovedá tomu, čo by videla skutočná 2Gfps kamera.
Obsah pokračuje pod reklamou
Ide síce o obchádzku technologických obmedzení, no porovnateľné vedecké vizualizácie svetla pri extrémnych rýchlostiach sa bežne opierajú o komplikované a drahé metódy, napríklad femto-fotografiu z MIT/Caltech. Haidet ukazuje, že k podobnému cieľu sa dá dopracovať aj s premyslenou mechanikou, optikou a istou dávkou programovacieho jazyka Python.
Jadro sústavy je prekvapivo striedme, tvorí ho gimbal s nastaviteľným zrkadlom, jednoduchý objektív, cloniaca dierka a svetlocitlivý fotonásobič (PMT). Zrkadlo sa na presné smerovanie neopiera o hobby servá ako v prvej, miliardovej verzii projektu, ale o servopohony s enkódermi a remenicami, aby bolo možné stabilne vykresliť HD mriežku riadok po riadku. Každý smer zrkadla predstavuje jeden pixel v budúcom videu. Na rozdiel od stroboskopického snímania sa tu naozaj nahráva časovo rozlíšený signál, ale iba z jedného smeru naraz, a až následné „dlaždicovanie“ poskladá scénu.
Elektronika si berie na pomoc osciloskop bežiaci na 2 gigasamploch za sekundu, ktorý číta impulzy z PMT a zároveň dostáva synchronizačný signál z laserového budiča. Aby mal časové značky mimo kritického merania, Haidet si pomohol „barbarsky elegantným“ riešením, časový posun jednoducho vytvoril dlhým koaxiálnym káblom a vhodným impedančným ukončením. Výsledkom je surový záznam intenzity svetla v čase pri každej polohe zrkadla, ktorý sa dá potom presne vyrovnať a poskladať do videa.
Najpútavejšie je, ako tento setup odhaľuje intuitívne nečakané efekty. Keď sa kamera pozerá „za“ laser, odrazy vzdialenejších bodov k nej putujú dlhšie, takže zdanlivá rýchlosť nelácie klesá takmer na polovicu. Naopak, keď je kamera pri „cieľovej“ strane, cesty sa skracujú a svetlo vyzerá, akoby sa zrýchlilo. Podobný princíp, teda porovnávanie oneskorení, mimochodom historicky pomohol odhadnúť rýchlosť svetla už v 17. storočí. Dnešné laboratóriá ho rozvíjajú cez pokročilé systémy, no Haidet ho prenáša do ľudskej mierky garáže.
V porovnaní s komerčnými alebo akademickými rekordérmi ide samozrejme stále o kompromis. „Kamera“ nerobí skutočný 2Gfps záznam celej scény naraz, to by vyžadovalo násobne zložitejšie (a drahšie) senzory. Projekt však ukazuje účinnú cestu, ako sprístupniť extrémne rýchle javy s použitím dostupných súčiastok a šikovného softvéru. Čo je rovnako dôležité, projekt otvorene vysvetľuje, kde sú hranice, kde vznikajú artefakty a prečo ich vidíme. Pre fanúšikov experimentálnej optiky a tzv. „garážovej vedy“ teda ide o povinné video.
Ak vás zaujíma širší kontext, vedci z MIT/Caltech už pred rokmi ukázali vizualizáciu svetelnej vlny metódou „trillion FPS“, avšak cez iný fyzikálny trik a špičkové optické systémy. Haidetova verzia s jednopixelovým „skenovaním“ stojí na opačnej filozofii – rozložiť problém na čas a priestor a všetko poctivo zosynchronizovať. Dôkaz, že kreatívne inžinierstvo dokáže otvoriť dvere aj tam, kde to vyzerá, že je potrebné laboratórium za milióny.