Er zijn dingen in het leven die redelijk goed te voorspellen zijn. De getijden stijgen en dalen. De maan wordt en neemt af. Een biljartbal stuitert rond een tafel volgens een geordende geometrie.

En dan zijn er dingen die een gemakkelijke voorspelling tarten:de orkaan die zonder waarschuwing van richting verandert. Het spatten van water in een fontein. De sierlijke wanorde van takken die uit een boom groeien.

Deze verschijnselen en soortgelijke verschijnselen kunnen worden omschreven als chaotische systemen, en zijn opmerkelijk voor het vertonen van gedrag dat in het begin voorspelbaar is, maar wordt in de loop van de tijd steeds willekeuriger.

Door de grote rol die chaotische systemen spelen in de wereld om ons heen, wetenschappers en wiskundigen hebben lang geprobeerd ze beter te begrijpen. Nutsvoorzieningen, Lihong Wang van Caltech, de Bren Professor in de afdeling medische technologie van Andrew en Peggy Cherng, heeft een nieuwe tool ontwikkeld die hierbij kan helpen.

In het laatste nummer van wetenschappelijke vooruitgang , Wang beschrijft hoe hij een ultrasnelle camera van zijn eigen ontwerp heeft gebruikt die video opnam met een miljard frames per seconde om de beweging van laserlicht te observeren in een kamer die speciaal is ontworpen om chaotische reflecties te veroorzaken.

"Sommige holtes zijn niet-chaotisch, dus het pad dat het licht neemt is voorspelbaar, ", zegt Wang. Maar in het huidige werk, hij en zijn collega's hebben die ultrasnelle camera gebruikt om een ​​chaotische holte te bestuderen, "waarin het licht elke keer dat we het experiment herhalen een andere weg inslaat."

De camera maakt gebruik van een technologie die gecomprimeerde ultrasnelle fotografie (CUP) wordt genoemd, waarvan Wang in ander onderzoek heeft aangetoond dat het in staat is tot snelheden tot 70 biljoen frames per seconde. De snelheid waarmee een CUP-camera video opneemt, stelt hem in staat om licht - het snelste ding in het universum - te zien terwijl het reist.

Maar CUP-camera's hebben nog een andere eigenschap waardoor ze bij uitstek geschikt zijn voor het bestuderen van chaotische systemen. In tegenstelling tot een traditionele camera die één videobeeld tegelijk opneemt, een CUP-camera neemt in wezen alle frames tegelijk op. Hierdoor kan de camera het volledige chaotische pad van een laserstraal door de kamer in één keer vastleggen.

Dat is belangrijk, want in een chaotisch systeem, het gedrag is elke keer anders. Als de camera slechts een deel van de actie vastlegde, het gedrag dat niet werd geregistreerd, kon nooit worden bestudeerd, omdat het nooit meer op precies dezelfde manier zou gebeuren. Het zou zijn alsof je een vogel probeert te fotograferen, maar met een camera die maar één lichaamsdeel tegelijk kan vastleggen; verder, elke keer dat de vogel bij je landde, het zou een andere soort zijn. Hoewel je zou kunnen proberen al je foto's samen te voegen tot één samengestelde vogelafbeelding, die in elkaar geflanste vogel zou de snavel van een kraai hebben, de nek van een ooievaar, de vleugels van een eend, de staart van een havik, en de poten van een kip. Niet bepaald handig.

Wang zegt dat het vermogen van zijn CUP-camera om de chaotische beweging van licht vast te leggen de studie van optische chaos nieuw leven kan inblazen. die toepassingen heeft in de natuurkunde, communicatie, en cryptografie.

"Het was een tijdje geleden echt een hot veld, maar het is uitgestorven, misschien omdat we niet de tools hadden die we nodig hadden, " zegt hij. "De experimentatoren verloren hun interesse omdat ze de experimenten niet konden doen, en de theoretici verloren hun interesse omdat ze hun theorieën niet experimenteel konden valideren. Dit was een leuke demonstratie om mensen op dat gebied te laten zien dat ze eindelijk een experimenteel hulpmiddel hebben."

Het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven, getiteld "Real-time observatie en controle van optische chaos, " verschijnt in het nummer van 13 januari van wetenschappelijke vooruitgang .