In “Extreme Physik” herausgegeben von Albin Michel, leitete der Physiker Julien Bobroff die Untersuchung, um uns einen Überblick über physikalische Aufzeichnungen zu bieten. Er lässt uns in die Welt des Extremes eintauchen, bevölkert von extravaganten Maschinen und glücklichen Wissenschaftlern. Entdecken Sie einen Auszug über die schnellste Kamera der Welt.
Veranschaulichung, wie eine Kamera funktioniert.
© Albin Michel
„Es war ein surrealer, ekstatischer Moment!“ Derjenige, der so staunt, heißt Lihong Wang. Als Professor am berühmten California Institute of Technology (Caltech) hatte er schon immer eine Leidenschaft für Licht, das seine Forschungsgruppe im Vakuum, in Materie und sogar im menschlichen Körper für medizinische Anwendungen manipuliert.
Er hat viele Waffenleistungen vorzuweisen, aber seine vielleicht schwindelerregendste Leistung ereignete sich im Jahr 2014. In diesem Jahr gelang es ihm, mit zwei jungen Kollegen eine rekordverdächtige Kamera zu entwerfen.
Ihr Prinzip beruht fast auf dem gleichen Trick wie die rotierenden Spiegelkameras, die die ersten Atombomben filmten. Anstatt zu versuchen, durch ein Negativ zu scrollen, sendet die Kamera die aufgenommenen Bilder nacheinander an verschiedene Stellen auf einem Sensor. Das Bild selbst wird mit einem einfachen Objektiv aufgenommen, nichts anderes als sehr banal. Dann, und das ist das Ursprüngliche, wird es in Elektrizität umgewandelt. Jedes der Lichtkörner, aus denen es besteht, wird in eine kleine Elektronenlawine umgewandelt.
Eadweard Muybridge, 1872, Bewegungsfotografie. lesexpertsdeclairval.
Die Scanning-Kamera, in der Fachwelt besser bekannt unter ihrem amerikanischen Namen „Streak Camera“, soll die Elektronen mit einer elektrischen Spannung von nur wenigen Volt nach oben lenken. Das gefilmte Bild befindet sich somit oben auf dem Sensor. Dann lässt die Spannung plötzlich nach. Zwangsläufig kommt das Bild tiefer, dann tiefer und wieder tiefer. Die Bilder liegen nacheinander vertikal über den gesamten Sensor verteilt vor. Es bleibt nur noch, sie zu trennen und neu anzuordnen, um einen Film zu erhalten, wie Muybridge es ein Jahrhundert zuvor getan hatte. Die elektrische Spannung reguliert den Rhythmus.
Bei dieser ultraschnellen Kamera wird das Bild an kleine Spiegel und dann an einen Detektor gesendet, der die Photonen in Elektronen umwandelt.
Bei dieser ultraschnellen Kamera wird das Bild an kleine Spiegel und dann an einen Detektor gesendet, der die Photonen in Elektronen umwandelt.
© Albin Michel
Seien Sie jedoch vorsichtig, wenn Sie zu schnell vorgehen, überlappen sich die Bilder und der Film wird völlig unscharf. Hier kommen Wang und seine Mitstreiter auf eine Idee. Sie beschlossen, die Bilder zu kodieren, indem sie mithilfe geschickt positionierter Mikrospiegel einige kleine schwarze Punkte im QR-Code-Stil hinzufügten.
Von dem verschwommenen Film, den sie wiederherstellen, müssen sie nur noch… rechnen. Durch das Erkennen der schwarzen Flecken können sie berechnen, wie die Bilder erneut verarbeitet werden müssen, um unabhängig von der Geschwindigkeit einen scharfen Film zu erhalten! Dank dieses Tricks wird der unglaubliche Wert von hundert Milliarden Bildern pro Sekunde erreicht, ja, ein Bild pro Hundertstel Nanosekunde!
Wenn die Detektorspannung abnimmt, verschiebt sich das Bild nach unten. Schritt für Schritt können wir eine Bewegung erfassen und aufschlüsseln.
© Albin Michel
Wenn die Detektorspannung abnimmt, verschiebt sich das Bild nach unten. Schritt für Schritt können wir eine Bewegung erfassen und aufschlüsseln.
Das Licht filmen…
Also, was filmen wir damit? Die Antwort ist einfach: nichts. Nichts geht schnell genug. Bei einem solchen Tempo scheint alles vollkommen still zu sein … alles außer Licht, dem einzigen Phänomen auf unserer Skala, das schnell genug ist, um zu sehen, wie es sich bewegt.
Also, lasst uns weitermachen und das Licht filmen, sagte sich Wang. Es sendet mit einem gepulsten Laser einen kleinen roten Lichtstoß aus. Dann nimmt er Eisblöcke, die er verdampft, um den Durchgang des Lasers zu ermöglichen. Und dort, vor den staunenden Augen des kleinen Teams, zeigt das so aufgenommene Video einen kleinen roten Hauch, der sich mit dreihunderttausend Kilometern pro Sekunde auf einen Spiegel zubewegt, abprallt und in die andere Richtung zurückfliegt. Wang erinnert sich: „Das hätten wir nie für möglich gehalten. Zum ersten Mal konnten Menschen in Echtzeit sehen, wie sich Licht im Weltraum ausbreitet!“, eine alte Fantasie, die bereits zu seiner Zeit Galilei bewohnte …
Beispiele für Aufnahmen von Wangs Kamera.
Der Caltech-Physiker hörte hier nicht auf und beschloss, diese gute alte geometrische Optik, die ihm in der High School beigebracht worden war, auf die Probe zu stellen, beginnend mit den Gesetzen von Snell-Descartes.
Diese Gesetze beschreiben, wie Licht abgelenkt wird, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht. Der Beweis: Schauen Sie sich Ihr Bein in einer Badewanne an. Sie werden sehen, dass es deutlich verzerrt ist und das Wasser das Licht ablenkt, bevor es Ihr Auge erreicht. Anstelle einer Badewanne entschied sich Wang für ein Stück transparentes Harz, das er im Weg des Laserstrahls platzierte. Wie erwartet wird das Licht abgelenkt und bewegt sich erwartungsgemäß langsamer weiter, ein weiteres bekanntes Gesetz des Elektromagnetismus.
Als letzten Leckerbissen schicken die Forscher den Laser in eine fluoreszierende Substanz. Ein wunderschöner fluoreszierender roter Fleck erscheint und erlischt fast sofort, in nur wenigen Dutzend Pikosekunden. Kurz gesagt, alle Gesetze sind gut überprüft, aber es ist herzerwärmend, sie zum ersten Mal live zu sehen. […]
Eine neue Welt in Zeitlupe
Das Caltech-Team nutzte seine Kamera nicht nur, um das Licht zu filmen. Sie nutzte es auch, um die Arbeit unseres Gehirns zu beobachten. Ich übertreibe kaum, urteilen Sie selbst. Wenn Sie gerade Ihr Smartphone oder Ihren Computer halten, wird das Berührungsempfinden über Ihr Gehirn an Ihr Gehirn übertragen Nervensystem mit kleinen elektrischen Signalen. Diese Signale wandern entlang der Axone, einer Art Verlängerung der Neuronen, die dafür sorgen, dass Kommunikation zwischen letzteren über Synapsen. Sie haben jeweils nur einen Durchmesser von wenigen zehn Mikrometern und die elektrischen Potenziale zirkulieren dort mit hoher Geschwindigkeit.
Wangs Team gelang es jedoch, sie zu filmen und zum ersten Mal live zu sehen, wie sich die Strömung dort mit mehr als hundert Metern pro Sekunde ausbreitete.
Der bisher jüngste Fortschritt besteht darin, dass Wang seine „Streak-Kamera“ leicht modifiziert hat, indem er Laserpulse nicht mehr nur rot, sondern in allen Farben verwendet. Dann gelang es ihm, jede Farbe zu einem anderen Zeitpunkt auf dem Bildschirm erscheinen zu lassen. Am Ende der Reise trennt sie ein optisches Instrument, das Beugungsgitter, horizontal: Rot geht nach links, Blau nach rechts usw. Zu dieser Trennung kommt noch die Trennung entlang der Vertikalen hinzu. Der Film der Ereignisse ist nun in alle Richtungen ausgebreitet, was die Rekonstruktion der Szene wirklich schwierig macht.
Doch den Forschern gelang es, und sie konnten sogar noch schneller filmen, und zwar nicht nur geringfügig: Die neue Kamera zeichnet mehr als zweihunderttausend Milliarden Bilder pro Sekunde auf, ein Rekord in allen Kategorien. Muybridge scheint etwas veraltet zu sein …
Die „Streak-Kamera“ von Caltech ist nicht die einzige ihrer Art, da sie Teil einer großen Bewegung auf dem Gebiet der Optik ist. In den letzten Jahren haben Erfindungen und Fortschritt enorm zugenommen. Neue Visualisierungstools, die einst für unmöglich gehalten wurden, werden in ständigem Tempo entwickelt. Diese Erfolgsserie ist auf das Zusammenspiel von drei Schlüsselfaktoren zurückzuführen: dem Aufkommen neuer ultraschneller Pulslaser, der Erfindung immer effizienterer Detektoren und der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden Mathematik innovative Bilder. Jeder hat seine eigene Erfindung: Frequenzkodierung, Einzelphotonendetektoren, Einzelpixelkameras, Quantenholographie … […] Endlich können wir die Ausbreitung von Stoßwellen bei Explosionen, seltsamen Schurkenwellen in der Optik oder sogar chemischen Reaktionen „live“ bis auf die Pikosekunde verfolgen. Wir leben möglicherweise im goldenen Zeitalter der Bilder. […]
Welche Fortschritte kommen genau? Nachdem wir nun wissen, wie wir die schnellsten oder verborgensten Phänomene erkennen können, auf welche neuen Leistungen können wir hoffen? Immer schneller, immer präziser scheinen die Schlüsselwörter zu sein.
Manche Menschen träumen davon, eines Tages die Struktur des Lichts zu filmen und nicht mehr nur zu sehen, wie sich der Laserstrahl bewegt, sondern auch die elektromagnetische Welle, aus der er besteht, live schwingt. Ein weiterer vielversprechender Horizont liegt im Quantenbereich. In den letzten Jahren konnten Forscher die Quantennatur von Photonen nutzen, um bessere Bilder zu erhalten. Wir können zum Beispiel Mikroskope entwerfen, die mithilfe verschränkter Photonenpaare Materie mit außergewöhnlicher Auflösung sichtbar machen, oder ein Objekt filmen, ohne es anzusehen …
Modernste Optik, modernste Elektronik, modernste Algorithmen, ein wenig Quantum zum Würzen, hier ist jetzt der Erfolgscocktail zum Filmen des Unsichtbaren und seiner Bewegungen!
