Ci sono cose nella vita che possono essere previste ragionevolmente bene. Le maree salgono e scendono. La luna cresce e cala. Una palla da biliardo rimbalza intorno a un tavolo secondo una geometria ordinata.

E poi ci sono cose che sfidano le facili previsioni:l'uragano che cambia direzione senza preavviso. Gli spruzzi d'acqua in una fontana. Il grazioso disordine dei rami che crescono da un albero.

Questi fenomeni e altri simili possono essere descritti come sistemi caotici, e sono noti per esibire un comportamento che è inizialmente prevedibile, ma diventa sempre più casuale con il tempo.

A causa del grande ruolo che i sistemi caotici svolgono nel mondo che ci circonda, scienziati e matematici hanno a lungo cercato di comprenderli meglio. Ora, Lihong Wang del Caltech, il professore Bren nel dipartimento di ingegneria medica di Andrew e Peggy Cherng, ha sviluppato un nuovo strumento che potrebbe aiutare in questa ricerca.

Nell'ultimo numero di Progressi scientifici , Wang descrive come ha utilizzato una fotocamera ultraveloce di sua progettazione che ha registrato video a un miliardo di fotogrammi al secondo per osservare il movimento della luce laser in una camera appositamente progettata per indurre riflessi caotici.

"Alcune cavità non sono caotiche, quindi il percorso che prende la luce è prevedibile, " dice Wang. Ma nel lavoro attuale, lui e i suoi colleghi hanno usato quella fotocamera ultraveloce come strumento per studiare una cavità caotica, "in cui la luce prende un percorso diverso ogni volta che ripetiamo l'esperimento."

La fotocamera utilizza una tecnologia chiamata fotografia ultraveloce compressa (CUP), che Wang ha dimostrato in altre ricerche di essere in grado di raggiungere velocità fino a 70 trilioni di fotogrammi al secondo. La velocità con cui una videocamera CUP riprende i video la rende in grado di vedere la luce, la cosa più veloce dell'universo, mentre viaggia.

Ma le fotocamere CUP hanno un'altra caratteristica che le rende particolarmente adatte allo studio di sistemi caotici. A differenza di una fotocamera tradizionale che riprende un fotogramma di video alla volta, una fotocamera CUP essenzialmente riprende tutti i suoi fotogrammi contemporaneamente. Ciò consente alla telecamera di catturare l'intero percorso caotico di un raggio laser attraverso la camera tutto in una volta.

Questo è importante perché in un sistema caotico, il comportamento è ogni volta diverso. Se la fotocamera ha catturato solo una parte dell'azione, il comportamento che non è stato registrato non potrebbe mai essere studiato, perché non si sarebbe mai più verificato esattamente allo stesso modo. Sarebbe come cercare di fotografare un uccello, ma con una fotocamera che può catturare solo una parte del corpo alla volta; per di più, ogni volta che l'uccello si posava vicino a te, sarebbe una specie diversa. Anche se potresti provare a assemblare tutte le tue foto in un'unica immagine composita di uccelli, quell'uccello acciottolato avrebbe il becco di un corvo, il collo di una cicogna, le ali di un'anatra, la coda di un falco, e le gambe di un pollo. Non esattamente utile.

Wang afferma che la capacità della sua fotocamera CUP di catturare il movimento caotico della luce può dare nuova vita allo studio del caos ottico, che ha applicazioni in fisica, comunicazioni, e crittografia.

"Era un campo molto caldo qualche tempo fa, ma è morto, forse perché non avevamo gli strumenti di cui avevamo bisogno, " dice. "Gli sperimentali hanno perso interesse perché non potevano fare gli esperimenti, ei teorici persero interesse perché non potevano convalidare sperimentalmente le loro teorie. Questa è stata una divertente dimostrazione per mostrare alle persone in quel campo che finalmente hanno uno strumento sperimentale".

Il documento che descrive la ricerca, intitolato "Osservazione e controllo in tempo reale del caos ottico, " appare nel numero del 13 gennaio di Progressi scientifici .