用世界上最快的相机研究混沌现象

研究混沌最快的摄像机

信贷:加州理工学院

生活中有些事情是可以很好地预测的。潮起潮落。月亮有盈有亏。弹子球按照有序的几何形状绕着桌子弹跳。

还有一些事情是很难预测的:飓风会在没有任何预警的情况下改变方向。喷泉中溅起的水花。从树上长出的优雅而杂乱的树枝。

这些现象和其他类似的现象可以被描述为混沌系统,它们以表现出一开始可以预测的行为而著称,但随着时间的推移,它们变得越来越随机。

由于混沌系统在我们周围的世界中扮演着重要的角色,科学家和数学家们一直在寻求更好地理解它们。现在,加州理工学院的王力宏,安德鲁和佩吉程医学工程系的布伦教授,开发了一种新的工具,可能有助于这一探索。

在最新一期的科学的进步,王介绍了他如何使用自己设计的超快相机,以每秒10亿帧的速度记录视频,来观察激光在一个专门设计用来诱导混沌反射的腔内的运动。

混乱的光学共振器

一个以每秒十亿帧的速度拍摄的视频展示了两个激光脉冲在混沌光学腔内反射时如何走不同的路径。信贷:加州理工学院

“有些空腔是非混沌的,所以光的路径是可以预测的,”王说。但在目前的工作中,他和他的同事们使用了超快相机作为研究混沌腔的工具,“在混沌腔中,我们每次重复实验时,光都走不同的路径。”

这款相机使用了一种被称为压缩超快摄影(CUP)的技术,王在其他研究中证明了这种技术能够达到每秒70万亿帧的速度。杯子相机拍摄视频的速度使它能够看到宇宙中速度最快的物体——光——在它移动的时候。

但杯子相机还有另一个特点,使它们特别适合研究混沌系统。与传统相机每次只拍摄一帧的视频不同,杯子式相机基本上是一次拍摄所有帧。这使得摄像机能够一次捕捉到整个通过腔室的激光束的混沌路径。

这一点很重要,因为在一个混乱的系统中,行为每次都是不同的。如果摄像机只捕捉到动作的一部分,那么没有被记录下来的行为就永远无法被研究,因为它永远不会以完全相同的方式再次发生。这就像试图拍摄一只鸟,但用的相机一次只能捕捉身体的一个部位;而且,每次这只鸟降落在你附近,它就会变成一个不同的物种。尽管你可以尝试将所有的照片组合成一张合成的鸟图像,但这只拼凑在一起的鸟将拥有乌鸦的喙、鹳的脖子、鸭子的翅膀、鹰的尾巴和鸡的腿。不完全是有用的。

王说,他的杯子相机捕捉光的混沌运动的能力可能会为光学混沌的研究注入新的活力,光学混沌在物理、通信和密码学方面都有应用。

他说:“一段时间前,这是一个非常热门的领域,但现在已经沉寂下来,可能是因为我们没有所需的工具。”“实验主义者失去了兴趣,因为他们不能做实验,而理论家失去了兴趣,因为他们不能用实验来验证他们的理论。这是一次有趣的演示,向该领域的人们展示,他们终于有了一个实验工具。”

这篇题为“光学混沌的实时观测与控制”的论文描述了这项研究,发表在1月13日的《科学》杂志上科学的进步。共同作者是曾在加州理工学院工作,现为亚利桑那大学怀恩特光学科学学院助理教授的范林然;以及南加州大学的闫晓东和王汉。

参考文献:“光学混沌的实时观测与控制”,范林然,闫晓东,王晗,王立宏,2021年1月13日科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.abc8448

该研究经费由陆军研究办公室青年研究员计划、空军科学研究办公室、国家科学基金会和国家卫生研究院提供。

1评论关于“用世界上最快的相机之一研究混沌现象”

  1. 库尔。终于有人把Pong应用升级到了21世纪。[闪身躲开向我头上扔来的玻璃和金属碎片。)放松。即使是天才爱因斯坦也很谦虚,懂得开玩笑。

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