Гарольд Эджертон в 1930-х годах использовал вспышки длительностью 10 микросекунд, чтобы визуально остановить вращающиеся детали электромоторов в лаборатории MIT. Его метод позволял получать снимки, которые по четкости до сих пор конкурируют с цифровыми скоростными камерами .
💡 Изобретение современного стробоскопа 0:00
В 1920-х годах инженеры столкнулись с проблемой: электрические моторы на заводах работали нестабильно из-за скачков напряжения в сети . Гарольд Эджертон не мог изучить поломки, так как механизмы вращались слишком быстро для человеческого глаза. Существовавшие тогда камеры имели слишком длинную выдержку и выдавали размытое изображение.
Решение пришло случайно, когда Гарольд Эджертон заметил яркую вспышку при имитации скачка напряжения в лаборатории. В этот момент движущиеся части мотора показались ему неподвижными . Он понял, что короткий и интенсивный импульс света может «заморозить» время на фотопленке при открытом затворе.
Для создания надежной вспышки Гарольд Эджертон сконструировал цепь с конденсатором и стеклянной трубкой, наполненной аргоном или ксеноном . Устройство работало по следующему принципу:
- Напряжение накапливало электроны на пластине конденсатора.
- Триггер подавал высоковольтный импульс на обмотку трубки, ионизируя газ.
- Газ превращался в проводник, пропуская заряд и нагреваясь до 10 000 Кельвинов .
- Вспышка длительностью 10 микросекунд освещала объект, после чего ток прекращался.
Гарольд Эджертон начал фотографировать не только моторы, но и повседневные объекты: теннисные мячи в момент удара, капли молока и летящих птиц . Для синхронизации вспышки с моментом удара он использовал микрофон. Звук лопающегося шарика или удара ракетки служил сигналом для срабатывания стробоскопа .
В 1939 году технологию адаптировали для военных нужд. Джордж Годдард попросил Гарольда Эджертона создать стробоскоп для ночной авиаразведки . Устройство выдавало импульс мощностью 60 мегаватт, что сопоставимо с мощностью крупной солнечной электростанции. Это позволило союзникам получить четкие снимки Нормандии перед высадкой в день Д .
📸 Дилемма двух разрешений 8:43
При сравнении стробоскопа Гарольда Эджертона с современной камерой Photron Nova S16, снимающей на скорости 20 000 кадров в секунду, старая технология выигрывает в четкости . Это происходит из-за конфликта между пространственным и временным разрешением.
В цифровых сенсорах существует физический предел скорости считывания данных с пикселей. Чтобы увеличить частоту кадров, камере приходится жертвовать количеством активных пикселей . Например, при скорости один миллион кадров в секунду разрешение может упасть до 16 на 128 пикселей.
Гарольд Эджертон использовал крайность: однократную вспышку с максимально возможным качеством изображения. Противоположный подход — использование сверхбыстрого сенсора размером всего в один пиксель .
🔦 Съемка движения света 13:09
Исследователи из MIT Camera Culture Group под руководством Рамеша Раскара разработали систему, которая снимает со скоростью один триллион кадров в секунду. В основе лежит однопиксельный сенсор, способный фиксировать попадание одиночных фотонов .
Каждый кадр в такой системе длится около одной пикосекунды. За это время свет успевает пролететь всего 0,3 миллиметра . Чтобы получить полноценное видео, ученые используют метод сканирования:
- Лазер выпускает короткий импульс в сцену.
- Однопиксельная камера фиксирует сигнал из одной точки пространства.
- Эксперимент повторяется миллионы раз, пока два зеркала перемещают поле зрения сенсора по сетке .
- Алгоритмы объединяют данные в итоговую визуализацию.
Этот метод требует, чтобы процесс в кадре повторялся идентично при каждом новом импульсе лазера. На итоговых кадрах видно, как фронт света огибает препятствия, проходит сквозь бутылку с водой и рассеивается на поверхностях . Используя съемку с разных ракурсов, Анаг Малик и группа из Университета Торонто создают «пролеты» камеры сквозь световую волну, имитируя эффект Matrix .
⚛️ Визуализация плотности электронов 19:04
Чтобы увидеть движение электронов внутри молекул, требуется еще более высокая скорость — один квадриллион кадров в секунду. Для этого используется ускоритель SLAC в США . Длина этого идеально прямого устройства составляет 3,2 километра.
Аарон Грофф и Джеймс Крайан используют электроны, разогнанные до 99,9999992% скорости света . Для создания «аттосекундного стробоскопа» импульсы электронов пропускают через ондуляторы — наборы магнитов с чередующимися полюсами. Под действием силы Лоренца частицы начинают вилять (wiggle), испуская электромагнитное излучение .
Из-за эффектов теории относительности расстояние между магнитами сокращается для летящего электрона, а излучаемый свет испытывает синее смещение . В результате возникают рентгеновские импульсы длиной от нескольких фемтосекунд до сотен аттосекунд (10^-18 секунды).
Аттосекунда относится к секунде так же, как секунда — к возрасту Вселенной . Такая скорость позволяет наблюдать за электронными облаками. Ученые не видят сами электроны, но могут измерять их плотность, ионизируя молекулы. Разница между энергией входящего рентгеновского луча и кинетической энергией вылетающего электрона позволяет вычислить, насколько плотно частицы были упакованы вокруг ядра атома .
Джеймс Крайан продемонстрировал симуляцию поведения молекулы пара-аминофенола, подтвержденную экспериментами в SLAC . На видео видно, как после удаления одного электрона заряд начинает волнообразно перемещаться по структуре молекулы. Когда результаты измерений расходятся с теоретическими расчетами — например, через 5–10 фемтосекунд после начала процесса — ученые получают шанс открыть новые законы взаимодействия материи .
