为了拍摄难得的光线爆破现象 科学家启用了台特殊相机

（原标题：为了拍摄难得的“光线爆破”现象，科学家启用了一台特殊相机）

类似超音速飞机在飞行时产生的“音爆”现象，光源在介质中的运动速度超过介质中的光速时，也会产生类似的锥形“光爆”。

最近，科学家们用超高速照相机首次捕捉到了这种现象。所用的技术有一天可以拍摄到神经元的放电，帮助我们理解大脑的活动。

物体超音速运动时，被甩在身后的声波会堆成一个锥面，能量高度集中，让人感受到短暂而强烈的爆炸声，称为“音爆”。这种锥面由奥地利物理学家E.马赫于1887年首先提出，被称为马赫锥。

音爆现象容易拍摄得到，是因为声波能量巨大，能压缩周围空气，使水汽凝结成雾，形成俗称的音爆云。虽然持续时间只有几秒，但已经足够用肉眼观察得到了。

F-18 “大黄蜂”战斗机超音速飞行时产生的音爆云。来源：Wikipedia

而光的能量没有这么巨大，光速又极快，虽然光线的传播很早就被拍摄下来，光爆现象却一直没有直观的图像记录。

好在光的传播速度是可以降低的。比如光在玻璃中的传播速度只有真空中的60% 左右。之前的实验也已经将光速降低到百万分之一。

研究的主要作者，圣路易斯华盛顿大学的光学工程师Jinyang Liang和他的同事们用硅胶和氧化铝混合材料搭建了一个狭窄的隧道，中间充满雾状干冰。然后在隧道内发射绿色的激光脉冲，每个脉冲时长只有 7皮秒（ 1 皮秒为 10^-12 秒）。

1/2

光线会经由隧道内干冰的散射，进入周围的隧道壁内。由于光线在隧道内的速度要比在壁内的速度快，所以进入壁内的光线就被甩在后面，堆叠起来形成马赫锥结构，也就是所谓的光爆。由于干冰雾的移动随机，所以这种现象不会一直持续，而是随机发生。

为了拍摄出这个结构，研究人员使用了每秒可以拍摄 1 千亿次的“条纹相机”，这个相机不仅可以获得直接的拍摄场景，还可以记录事件的时间信息，便于科学家的逐帧再现。

科学家首次用“条纹相机”拍摄到光的马赫锥。来源：Liang等. Sci. Adv.2017; 3:e1601814

之前的成像系统无法实时获取这种现象的原貌，需要成百上千次的测量才能拼凑出当时的情景。对于马赫锥这种不可预测的现象，新的成像系统“无损编码压缩超快摄影（LLE-CUP）”更有优势，一次成像就可以捕获场景。

无损编码压缩超快摄影（LLE-CUP）只需要一次成像，就能实时捕获到马赫锥的形成。来自：Jinyang Liang & Lihong V. Wang

这项技术意味着医学影像将得到极大发展。将来，科学家们希望用这种相机观察神经元的放电，研究神经网络，以了解大脑如何工作。

详细成果发表在 1 月 20 日的《科学进展》上。