Det finns saker i livet som kan förutsägas ganska bra. Tidvattnet stiger och faller. Månen växer och avtar. En biljardboll studsar runt ett bord enligt ordnad geometri.

Och så finns det saker som trotsar enkel förutsägelse:Orkanen som ändrar riktning utan förvarning. Stänk av vatten i en fontän. Den graciösa störningen av grenar som växer från ett träd.

Dessa fenomen och andra liknande kan beskrivas som kaotiska system, och är kända för att uppvisa beteende som är förutsägbart först, men blir allt mer slumpmässigt med tiden.

På grund av den stora roll som kaotiska system spelar i världen omkring oss, vetenskapsmän och matematiker har länge försökt förstå dem bättre. Nu, Caltechs Lihong Wang, Bren -professorn vid Andrew och Peggy Cherng -avdelningen för medicinsk teknik, har utvecklat ett nytt verktyg som kan hjälpa i detta uppdrag.

I det senaste numret av Vetenskapliga framsteg , Wang beskriver hur han har använt en ultrasnabb kamera i sin egen design som spelade in video med en miljard bilder per sekund för att observera rörelse av laserljus i en kammare som är speciellt utformad för att framkalla kaotiska reflektioner.

"Vissa hålrum är icke-kaotiska, så den väg ljuset tar är förutsägbar, "Säger Wang. Men i det pågående arbetet, han och hans kollegor har använt den supersnabba kameran som ett verktyg för att studera en kaotisk hålighet, "där ljuset tar en annan väg varje gång vi upprepar experimentet."

Kameran använder en teknik som kallas komprimerad ultrasnabb fotografering (CUP), som Wang har visat i annan forskning för att kunna hastigheter så snabbt som 70 biljoner bilder per sekund. Hastigheten med vilken en CUP -kamera tar video gör att den kan se ljus - det snabbaste i universum - när den färdas.

Men CUP -kameror har en annan funktion som gör dem unikt lämpade för att studera kaotiska system. Till skillnad från en traditionell kamera som tar en bildruta i taget, en CUP -kamera skjuter i princip alla sina ramar på en gång. Detta gör att kameran kan fånga hela en laserstrålas kaotiska väg genom kammaren på en gång.

Det spelar roll för i ett kaotiskt system, beteendet är olika varje gång. Om kameran bara fångade en del av åtgärden, beteendet som inte registrerades kunde aldrig studeras, eftersom det aldrig skulle ske på exakt samma sätt igen. Det skulle vara som att försöka fotografera en fågel, men med en kamera som bara kan fånga en kroppsdel ​​i taget; vidare, varje gång fågeln landade nära dig, det skulle vara en annan art. Även om du kan försöka sätta ihop alla dina foton till en sammansatt fågelbild, att den sammanlagda fågeln skulle ha näbben till en kråka, halsen på en stork, ankarnas vingar, en hök svans, och benen på en kyckling. Inte direkt användbart.

Wang säger att hans CUP -kameras förmåga att fånga den kaotiska ljusrörelsen kan blåsa nytt liv i studiet av optiskt kaos, som har tillämpningar inom fysik, kommunikation, och kryptografi.

"Det var ett riktigt hett fält för en tid sedan, men det har dött, kanske för att vi inte hade de verktyg vi behövde, "säger han." Experimentisterna tappade intresset eftersom de inte kunde göra experimenten, och teoretikerna tappade intresset eftersom de inte kunde validera sina teorier experimentellt. Det här var en rolig demonstration för att visa människor inom det området att de äntligen har ett experimentellt verktyg. "

Papperet som beskriver forskningen, med titeln "Realtidsobservation och kontroll av optiskt kaos, "visas i 13 januari -numret av Vetenskapliga framsteg .