Kamera koja snima 1 trilion slika (frejmova) u sekundi, prati kretanje fotona kroz prostor

Istraživači sa MIT-a (baš neko vreme nismo pisali o toj instituciji) su razvili novi sistem za dobavljanje vizuelnih podataka – trilion slika u sekundi (1 000 000 000 000 = 1012)! Treba imati na umu da je video ili film koji gledamo, u stvari, niz statičnih fotografija ili slika i to sa učestalošću od 24 do 30 sličica u sekundi. Dakle, novi sistem, sa tolikim brojem slika u sekundi, omogućava pomalo neverovatne stvari. Zahvaljujući novoj aparaturi, snimljen je mali segment svetlosti kako putuje kroz plastičnu flašu, odbija se na poklopcu na vrhu, da bi se, potom, vratio ka njenom dnu.

Doktor Andreas Velten, levo, i njegov kolega profesor Rameš Raskar sa eksperimentalnom postavkom koju su koristili da bi proizveli usporeni snimak odbijanja svetlosti kroz plastičnu bocu.

Postdoktorant Andreas Velten (Andreas Velten), član razvojnog tima pomenutog sistema, naziva ga „ultimativnim“ u domenu slow-motion-a (usporenog kretanja). „Sada, ne postoji i jedna stvar u svemiru koja je prebrza za ovu kameru.“ tvrdi on.

Ceo sistem se bazira na skoro razvijenoj tehnologiji koja se zove streak kamera, ali iskorišćena na pomalo neočekivani način. Otvor na samoj kameri je uzak usek. Čestice svetlosti – fotoni – ulaze u kameru kroz taj otvor i bivaju konvertovane u elektrone, koji prolaze kroz električno polje koje ih odbija. Pravac odbijanja je normalan (ortogonalan) na pravac po kome se prostire ulazni usek. Kako se električno polje menja vrlo brzo, ono više odbija fotone koji dolaze kasnije od onih koji dolaze ranije.

Slika koju kamera proizvede je, stoga, dvodimenzionalna, ali samo jedna od dimenzija (ona koja predstavlja smer i pravac useka) je prostorna. Druga dimenzija, zavisna od ugla odbijanja, je vreme. Dobijena slika predstavlja vreme dolaska fotona koji prolazi kroz jednodimenzionalno parče prostora.

Kamera je namenjena za eksperimente gde svetlost prolazi ili se emituje od strane hemijskih uzoraka. Kako su hemičari, uglavnom, zainteresovani za talasnu dužinu svetlost koju uzorak upije ili kako se emitovana svetlost menja tokom vremena, činjenica da kamera registruje samo jednu prostornu dimenziju je irelevantna.

To predstavlja ozbiljnu manu kod video kamere. Da bi proizveli super spori video, Velten i profesor Rameš Raskar (Ramesh Raskar) i profesor hemije Moungi Bavendi (Moungi Bawendi), moraju stalno iznova raditi isti eksperiment, a da pri svakom novoj iteraciji malo pomere ugao kamere. Na ovaj način, dobija se dvodimenzionalna slika koja se polako sastavlja iz mnoštva horizontalnih linija. (Ovo je sistem po kome se stvara slika na televizorima starije generacije)

Sinhronizovanje kamere i lasera, koji generiše svetlosni impuls, da bi se dobilo isto vreme ekspozicije, zahteva aparaturu sastavljenu od sofisticirane optičke opreme i vrlo fine mehaničke kontrole. Svetlosti je dovoljna samo nano sekunda (10-9s) da prođe kroz flašu, ali je zato potrebno oko sat vremena da se prikupe svi neophodni podaci koji čine konačni snimak. Zbog toga, Raskar ceo sistem zove „Najsporija najbrža kamera na svetu“.

Svetlost u pokretu: Kombinovanjem savremene optičke opreme i tehnike rekonstrukcije dobijamo prikaz prostiranja svetlosti, putem periodičnog uzorkovanja.

Matematički proračun

Posle jednog sata, istraživači imaju na hiljade setova podataka, gde svaki od njih sadrži jednodimenzionalni podatak o poziciji fotona nasuprot njegovom vremenu dolaska. Raskar, Velten i ostali u timu su razvili algoritam koji dobijene setova podataka (sirovi rezultati) pretvara  u dvodimenzionalne slike.

Sama kamera i laserski generator svetlosnih impulsa (oba uređaja spadaju u domen vrhunske tehnologije) imaju zajedničku vrednost od 250000 (25×104) američkih dolara. Njih je obezbedio Bavendi, pionir u istraživanju kvantnih tačaka: sitne poluprovodničke čestice koje emituju svetlost, a imaju veliki potencijal u realizaciji kvantnih kompjutera, video tehnologiji, proizvodnji solarnih ćelija i u mnoštvu drugih naučnih i tehnoloških oblasti.

Ovo je samo početak.

Kamera sa trilion slika u sekundi, koja je predstavljena na dva naučna skupa (Optical Society’s Computational Optical Sensing and Imaging i Siggraph) je samo najava za novi projekat koji sprovodi Camera Culture grupa. Sledeći u nizu poduhvata ove grupe je kamera koja vidi iza ugla. Ova kamera koristi odbijanje svetlosti da bi stvorila sliku. Primer bi bio, da se snima svetlosni odraz zida koji se nalazi nasuprot vratima. Metoda bi se oslanjala na merenju različitih vremena odbijanja fotona. Oba sistema snimanja koriste izuzetno kratke emisije lasera i streak kamere, ali ostala aparatura i algoritmi se moraju praviti za svaki poduhvat posebno.

Pošto je za snimanje izuzetno brzih događaja potrebno snimati više puta isti „kadar“, na ovaj način se ne može zabeležiti fenomen koji se ne može identično ponoviti. Praktična primena ovakvog sistema se onda svodi na situaciju kada je način odbija svetlosti, sam po sebi, korisna informacija. To bi značilo upotrebu ove metode prilikom ispitivanja fizičke strukture neorganskih i živih materijala (tkiva) – „kao ultra zvuk sa svetlošću“, pojednostavljuje Raskar.

Kao neko ko je dugo istraživač u domenu kamera, Raskar, takođe ističe potencijal u razvoju fleševa za kamere. „Konačni cilj (san) je, kako napraviti studijsko svetlo sa kompaktnim izvorom svetlosti? Kako ja mogu uzeti u ruke prenosivu kameru koja na sebi nosi maleni fleš, a da stvorim iluziju da prilikom snimka imam sve one pomoćne sprave kao što su kišobrani, odbijajuće table, fokusirana svetla itd?“ pita Raskar. „Sa našim ultra brzim snimanjem, mi možemo analizirati kako fotoni putuju kroz okolni prostor. Po sprovedenoj analizi možemo stvoriti novu fotografiju, stvarajući iluziju u kojoj su fotoni imali svoje izvorište negde drugde.“

Možemo videti progresivnu sintezu foto grafa. Kodiranjem (popisivanjem) boja u svim slikama i njihovim potonjim sumiranjem možemo stvoriti jedinstveni dugin talasni front.

Hm, manipulacija fotografije, kao da nemamo dovoljno alata za tako nešto.

„Ovo je vrlo interesantan rad. Vrlo sam impresioniran“, kaže Nils Ambramson (Nils Ambramson), profesor primenjene holografije pri Kraljevskom Švedskom institutu za tehnologiju. Tokom sedamdesetih godina prošlog veka, Abramson je uveo novu tehniku koju su nazvali light-in-flight holografija (svetlost u letu), koja je dovela do toga da je bilo moguće napraviti fotografije svetlosnih talasa pri učestanosti od 100 milijardi (1011) slika (frejmova) u sekundi.

Zaista, Velten kaže „Kako se foton odbija po sceni on gubi na svojoj koherenciji. Samo ne koherentni sistem detekcije, kao naš, može primetiti te fotone.“ A ti fotoni, Velten kaže, mogli bi dozvoliti istraživačima da „nauče više o osobinama materijala koje ispituju i šta se nalazi ispod njihove površine. Pošto vidimo te fotone, možemo, zahvaljujući njima, videti unutar objekata – na primer, za pregled tkiva, u medicinske svrhe ili u procesu identifikacije materijala.“

„Iznenađen sam da metod koji sam ja koristio, više nije popularan.“ Abramson dodaje. „Osećao sam se usamljeno. Vrlo mi je drago da je još neko uradio nešto slično. Verujem da postoji mnogo stvari koje se mogu otkriti kada sprovedete ovakvo istraživanje na samoj svetlosti.“

Mozgalice

mozgaliceOd sada, pa nadalje i ubuduće, na našem sajtu će se redovno pojavljivati mogzalice različitog profila. Za sve koji su zianteresovani da se oprobaju u svojoj veštini rešavanja logičkih problema unosimo i malu dozu takmičarkskog duha.

Rešenje svake nove zagonetke ili problema neće biti dostupno dok se ne objavi novi zadatak.

Dotle, svi koji smatraju da imaju rešenje, mogu ga izložiti tako šte će to napisati kao komentar na datu mozgalicu. Vrednovaće se prvo TAČNO rešenje, a ne samo prvo.

Neće se uvažavati odgovor kao što su: da, ne, svi, ni jedan, 23 i tome slično, bez obzira da li je tačan.

Uz svaki Vaš odgovor treba da stoji jasno obrazloženje, zašto je vaš odgovor rešenje. Naravno, što kraće to bolje, ali ako je dugačko i tačno – uvažava se. 😉

Kada se prijavljujete na sajt, da biste odgvorili na zagoneteke, preporučujemo da stalno koristite isto ime, jer ćemo mi sa naše strane voditi evidenciju o tome koliko je ko puta bio dobar (i brz) u rešavanju postavljenih problema. Trenutna lista uspešnosti će se objavljivati na mesečnom nivou. Vremenom, kada se lista malo oformi, biće stalno dostupna za pregeld, svim posetiocima sajta.

Dodatno pravilo: 1 korisnk može ostaviti 1 komentar za 1 mozgalicu ili problem.

Higs-ov bozon – Da li se potraga za ovom česticom bliži kraju?

Prvo, dopustimo mladom entuzijasti da nas uvede u temu. 🙂

Cenjeni naučnik koji radi u laboratoriji za fiziku čestica pri Cernu je izjavio (za BBC) da on očekuje „prve tragove“ Higgsovog bozona tokom naredne nedelje!

Deluje da je potraga za misterioznom elementarnom česticom ušla u završnu fazu.

Ako je tako (tačnije, ako pokažu postojanje čestice koja ima osobine nagoveštenog Higgsovog bozona),  to će predstavljati značajno dostignuće svih naučnih timova koji rade oko velikog hadronskog sudarača (LHC – Large Hadron Colider)

Unutar ove velike aparature proizvode se direktni (čeoni) sudari fotona, a u ostacima tih kolizija, naučnici se nadaju, naći će potvrdu postojanja Higgsovog bozona.

Tipičan događaj-kandidat unutar LHC-a: dva fotona čije se energije mere uz pomoć CMS elektromagnetnog kalorimetra. (označeni su crvenom bojom). Po njihovom sudaru nastaju nove čestice čiji tragovi su označeni žutom bojom. Svetlo plava boja predstavlja zapreminu CMS kristalnog kalorimetra.

Ovu česticu, o kojoj naučnici već decenijama pričaju, nije uopšte lako definisati, ali njeno postojanje (koje još treba dokazati) nam pomaže da shvatim zašto čestice imaju masu.

Potera za ovom važnom česticom je postala centralni motiv moderne fizike. To je sasvim drugačija priča od neočekivane vesti o kretnju neutrina brzinom većom od brzine svetlosti, koja je bila objavljena septembra meseca ove godine. Ta vest i dalje zbunjuje fizičare širom sveta, i već neko vreme je u fokusu.

Narastajući osećaj uzbuđenja

Sledećeg utorka, dva nezavisna tima naučnika će otkriti rezultat koji će se pokazati iz mnoštva sirovih podataka koji su dobijeni prilikom poslednjih eksperimenata koji su sprovedeni u Velikom Hadronskom Sudaraču. Predstavnik jednog od timova ističe da su samo tokom ove godine izvršili (i istražili) oko 350 triliona sudara, od kojih samo desetak mogu predstavljati pouzdan trag za potvrdu postojanja Higgsove čestice.

Profesor Džon Elis (John Ellis): „Mi živimo sa Higsovom teorijom već gotovo 50 godina… Postala je naša potraga za svetim gralom!“

Sve do određenog dana, timovi svoje rezultate ne objavljuju, ali na različitim blogovima koji se bave fizikom i u kantini u samom Cernu, vode se vrlo žive diskusije o mogućnosti otkrivanja čuvenog bozona, i samim tim u direktniji uvid u pojam mase, sa stanovišta fizike.

Tablica je uskoro popunjena?

Timovi su skoncentrisani na one energetske oblasti gde bi se mogao nalaziti Higsov bozon. Očekuju da ga nađu u intervalu između 120 i 125 GeV (giga-elektro-volti).Treba znati da 1 GeV predstavlja masu protona.

Profesor Džon Elis, bivši vođa tima teoretskih fizičara u Cern-u, je izjavio Suzani Vats (Susan Watts) koja vodi blog Newsnights science, da postoji narastajući osećaj uzbuđenja u samom Cern-u. Sve, zbog tog ključnog sastanka, koji će se desiti sledećeg utorka.

„Mislim da ćemo dobiti prve tragove. Eksperimenti koji su sprovedeni sa LHC-om su imali svoje dobre i loše trenutke, kada je u pitanju potraga za ovom česticom. Može se desiti da ima masu koja je nekoliko stotina puta veća od mase protona, ali to deluje malo verovatno, onda postoji veliki među prostor gde znamo da ne može biti, i na kraju postoji interval malih masa gde, u stvari, očekujemo da je sretnemo. Deluje, da se, baš tu, pojavljuju neki nagoveštaji.. a šta oni predstavljaju – to ćemo saznati u utorak.“

Profesor Elis, koji se sada gostujući profesor u Cern-u, je izjavio za Newsnight science da pronalazak Higgsove čestice predstavlja veliku stvar za modernu fiziku.

„Trenutno važeći model je onaj koji zovemo Standardni Model, koji opisuje fiziku osnovnih (fundamentalnih) čestica. Može te ga zamisliti (Standardni Model) kao jednu ogromnu slagalicu, ali kojoj nedostaje jedna deo, baš u sredini. Tražimo ovo parče slike, aktivno, zadnjih 30 godina, i konačno, možda, sakrivenog ispod “LHC kauča”… mi ga najzad pronalazimo.“

Timovi u Cern-u neće predstaviti rezultate najavljenog sastanka kao zvanično „otkriće“. Razlog tome je manjak eksperimentalnih podataka. Očekuju da će imati više podataka do leta sledeće godine, kada će biti moguće sve te rezultate nazvati otkrićem. Naravno, podrazumeva se da dobijeni podaci potvrđuju postojanje tražene čestice…

Novinarima je rečeno da sačekaju zvaničnu izjavu posle samog naučnog sastanka, ali naučnici sa kojima je pričala Suzan Vats se teško suzdržavaju od osmeha koji očigledno upućuju na određene zaključke.

Sasvim razumljivo, direktor istraživanja u Cern-u, Serđo Bertolući (Sergio Bertolucci), je suzdržaniji nego profesor Elis. Izjavio je, pomalo enigmatski: „Vrlo je rano išta reći… Mislim da imamo indikacije koje nisu konsistentne sa ne postojanjem.“ On očekuje da će rezultati biti manje od „dokaza“, ali sa druge strane, da će njihova statistika biti „vrlo interesantna“.

„Naklonjen sam ka tome da će dobijeni podaci dati dobar uvid u trenutni proces našeg istraživanja i da će nam dati potvrdu da se nalazimo na dobrom tragu.“

Bertolući je izjavio za Newsnight: „Lov na Higgsovu česticu je kao pecanje u stara vremena. Umesto da koristimo moderna oruđa, mi jednostavno izbacujemo vodu iz bare… Ovo može delovati kao vrlo zamoran proces, ali to je jedini način. Na kraju dana, kada izbacite svu vodu, naići će te na najmanju moguću ribu, koju ste mogli zamisliti.“

Ova tema je tek načeta i verujem da neki čitoaci traže više od površinske priče, i za njih imamo specijalni video. To više nije lagana priča nego pokušaj da se objasni značaj Higsovog bozona koristeći prave (naučne) termine. Želim prijatno gledanje. 🙂

Vi i vaše bakterije – sve što treba da znate o njima

Koordinator Nacionalnog Instituta koji se bavi izučavanjem ljudskog mikrobioma i njegovog uticaja na opšte zdravlje (National Institutes of Health’s Human Microbiome Project), Lita Proktor (Lita Proctor) kaže sledeće: U ljudskom organizmu ima oko 2,5 kg bakterija.

Više znate o životinjama koje žive u Australiji, nego onim koji žive na vašem pupku.

Ostale činjenice:

– Odnos broja ćelija organizma i broja bakterijskih ćelija u našem organizmu je 1:10.

– Zbog svoje veličine, uprkos svojoj mnogobrojnosti, one čine od 1-2 % ukupne mase našeg organizma.

– Međutim, one su odgovorne za 50% materijala koje izbacimo iz sebe.

– Mnoge bakterije koje se nalaze u našem organizmu nisu bile istražene niti popisane, sve do skora. Tokom jula meseca, ove godine na državnom  Univerzitetu Severne Karoline u Americi (North Carolina), istraživanje nazvano the Belly Button Biodiversitym (biološka raznolikost pupka) je pokazalo da se kod 95% ispitanika može naći oko 1400 različitih bakterijskih tragova u predelu pupka.

Od tog broja, 662 vrste su prvi put identifikovane.

Na nekim mestima čovek može svašta naći, a ovo je tek početak istraživanja. Priznajte, posle ovih podataka, pregeldaćete pupak, barem da utvrdite u kakvom je stanju. 🙂