Il y a des choses dans la vie qui peuvent être raisonnablement bien prédites. Les marées montent et descendent. La lune croît et décroît. Une boule de billard rebondit autour d'une table selon une géométrie ordonnée.

Et puis il y a des choses qui défient toute prédiction facile :l'ouragan qui change de direction sans avertissement. Les éclaboussures d'eau dans une fontaine. Le désordre gracieux des branches qui poussent d'un arbre.

Ces phénomènes et d'autres similaires peuvent être décrits comme des systèmes chaotiques, et se distinguent par un comportement prévisible au début, mais devient de plus en plus aléatoire avec le temps.

En raison du rôle important que jouent les systèmes chaotiques dans le monde qui nous entoure, scientifiques et mathématiciens cherchent depuis longtemps à mieux les comprendre. Maintenant, Lihong Wang de Caltech, le professeur Bren du département de génie médical Andrew et Peggy Cherng, a développé un nouvel outil qui pourrait aider dans cette quête.

Dans le dernier numéro de Avancées scientifiques , Wang décrit comment il a utilisé une caméra ultrarapide de sa propre conception qui a enregistré une vidéo à un milliard d'images par seconde pour observer le mouvement de la lumière laser dans une chambre spécialement conçue pour induire des réflexions chaotiques.

"Certaines cavités ne sont pas chaotiques, donc le chemin que prend la lumière est prévisible, " dit Wang. Mais dans le travail actuel, lui et ses collègues ont utilisé cette caméra ultrarapide comme outil pour étudier une cavité chaotique, "dans lequel la lumière prend un chemin différent à chaque fois que nous répétons l'expérience."

L'appareil photo utilise une technologie appelée photographie ultrarapide compressée (CUP), que Wang a démontré dans d'autres recherches comme étant capable d'atteindre des vitesses aussi rapides que 70 000 milliards d'images par seconde. La vitesse à laquelle une caméra CUP prend une vidéo la rend capable de voir la lumière - la chose la plus rapide de l'univers - pendant qu'elle se déplace.

Mais les caméras CUP ont une autre caractéristique qui les rend particulièrement adaptées à l'étude des systèmes chaotiques. Contrairement à une caméra traditionnelle qui filme une image vidéo à la fois, une caméra CUP prend essentiellement toutes ses images à la fois. Cela permet à la caméra de capturer l'intégralité du chemin chaotique d'un faisceau laser à travers la chambre en une seule fois.

C'est important parce que dans un système chaotique, le comportement est différent à chaque fois. Si la caméra n'a capturé qu'une partie de l'action, le comportement qui n'a pas été enregistré n'a jamais pu être étudié, car cela ne se produirait plus jamais exactement de la même manière. Ce serait comme essayer de photographier un oiseau, mais avec un appareil photo qui ne peut capturer qu'une partie du corps à la fois ; par ailleurs, chaque fois que l'oiseau se posait près de toi, ce serait une espèce différente. Bien que vous puissiez essayer d'assembler toutes vos photos en une seule image composite d'oiseau, cet oiseau pavé aurait le bec d'un corbeau, le cou d'une cigogne, les ailes d'un canard, la queue d'un faucon, et les cuisses d'un poulet. Pas vraiment utile.

Wang dit que la capacité de sa caméra CUP à capturer le mouvement chaotique de la lumière peut insuffler une nouvelle vie à l'étude du chaos optique, qui a des applications en physique, communication, et cryptographie.

"C'était un terrain très chaud il y a quelque temps, mais c'est mort, peut-être parce que nous n'avions pas les outils dont nous avions besoin, " dit-il. " Les expérimentateurs ont perdu tout intérêt parce qu'ils ne pouvaient pas faire les expériences, et les théoriciens se sont désintéressés parce qu'ils ne pouvaient pas valider expérimentalement leurs théories. C'était une démonstration amusante pour montrer aux gens dans ce domaine qu'ils ont enfin un outil expérimental."

L'article décrivant la recherche, intitulé "Observation et contrôle en temps réel du chaos optique, " apparaît dans le numéro du 13 janvier de Avancées scientifiques .