Studerer kaos med et af verdens hurtigste kameraer

Der er ting i livet, der kan forudsiges rimeligt godt. Tidevandet stiger og falder. Månen vokser og aftager. En billardkugle hopper rundt om et bord efter ordnet geometri.

Og så er der ting, der trodser let forudsigelse:Orkanen, der skifter retning uden varsel. Sprøjten af ​​vand i et springvand. Den yndefulde uorden af ​​grene, der vokser fra et træ.

Disse fænomener og andre lignende kan beskrives som kaotiske systemer, og er kendt for at udvise adfærd, der er forudsigelig i starten, men vokser mere og mere tilfældigt med tiden.

På grund af den store rolle, som kaotiske systemer spiller i verden omkring os, videnskabsmænd og matematikere har længe forsøgt at forstå dem bedre. Nu, Caltechs Lihong Wang, Bren-professoren i Andrew og Peggy Cherng-afdelingen for medicinsk teknik, har udviklet et nyt værktøj, der kan hjælpe i denne søgen.

I det seneste nummer af Videnskabens fremskridt , Wang beskriver, hvordan han har brugt et ultrahurtigt kamera af sit eget design, der optog video med en milliard billeder i sekundet til at observere laserlysets bevægelse i et kammer, der er specielt designet til at fremkalde kaotiske refleksioner.

"Nogle hulrum er ikke-kaotiske, så den vej lyset tager er forudsigelig, " siger Wang. Men i det nuværende arbejde, han og hans kolleger har brugt det ultrahurtige kamera som et værktøj til at studere et kaotisk hulrum, "hvor lyset tager en anden vej, hver gang vi gentager eksperimentet."

Kameraet gør brug af en teknologi kaldet komprimeret ultrahurtig fotografering (CUP), som Wang i anden forskning har påvist at være i stand til at køre så hurtigt som 70 billioner billeder i sekundet. Den hastighed, hvormed et CUP-kamera optager video, gør det i stand til at se lys – den hurtigste ting i universet – mens det rejser.

Men CUP-kameraer har en anden funktion, der gør dem unikke egnede til at studere kaotiske systemer. I modsætning til et traditionelt kamera, der optager et billede ad gangen, et CUP-kamera optager stort set alle dets billeder på én gang. Dette gør det muligt for kameraet at fange hele en laserstråles kaotiske vej gennem kammeret på én gang.

Det betyder noget, fordi i et kaotisk system, adfærden er forskellig hver gang. Hvis kameraet kun fangede en del af handlingen, den adfærd, der ikke blev registreret, kunne aldrig studeres, fordi det aldrig ville ske på nøjagtig samme måde igen. Det ville være som at prøve at fotografere en fugl, men med et kamera, der kun kan fange én kropsdel ​​ad gangen; desuden, hver gang fuglen landede i nærheden af ​​dig, det ville være en anden art. Selvom du kunne prøve at samle alle dine billeder i ét sammensat fuglebillede, den brostensbelagte fugl ville have næb som en krage, halsen på en stork, en ands vinger, halen af ​​en høg, og benene på en kylling. Ikke ligefrem brugbart.

Wang siger, at hans CUP-kameras evne til at fange lysets kaotiske bevægelse kan puste nyt liv i studiet af optisk kaos, som har applikationer i fysik, kommunikation, og kryptografi.

"Det var et rigtig varmt felt for noget tid siden, men det er gået i stå, måske fordi vi ikke havde de værktøjer, vi havde brug for, " siger han. "Eksperimentalisterne mistede interessen, fordi de ikke kunne udføre eksperimenterne, og teoretikerne mistede interessen, fordi de ikke kunne validere deres teorier eksperimentelt. Dette var en sjov demonstration for at vise folk i det felt, at de endelig har et eksperimentelt værktøj."

Papiret, der beskriver forskningen, med titlen "Realtidsobservation og kontrol af optisk kaos, " vises i 13. januar-udgaven af Videnskabens fremskridt .