دانشمندان کالتک دوربینی ساخته‌اند که با ۱۰ تریلیون فریم در ثانیه ضبط می‌کند

سرعت نور سریع‌ترین در جهان است، بنابراین تلاش برای ثبت آن در هنگام حرکت یک چالش بزرگ محسوب می‌شود. البته در این زمینه‌ موفقیت‌هایی نیز وجود داشته است؛ اما دوربین جدیدی که اخیرا توسط دانشمندان دانشگاه کالتک ساخته شده، قادر است به سرعت حیرت‌آور ۱۰ تریلیون بر ثانیه برسد؛ به این معنی که می‌تواند نور را با همان سرعتی که در حال حرکت است ضبط کند؛ آن‌ها حتی قصد دارند این دستگاه را صدها برابر سریع‌تر از این کنند.

درک چگونگی حرکت نور در بسیاری از حوزه‌ها اساسی است، بنابراین تنها یک کنجکاوی بیهوده سبب تلاش‌های جینیانگ و همکارانش در ساخت این دستگاه نبوده و نه اینکه مشکلی با این مسئله وجود داشته است؛ اما اپلیکیشن‌های بالقوه‌ای در فیزیک، مهندسی، و پزشکی وجود دارند که به‌شدت به رفتار نور در مقیاس‌های بسیار کوچک و کوتاه که درست در محدوده‌ی قابل اندازه‌گیری قرار دارند، وابسته‌ هستند.

ممکن است در گذشته در‌باره‌ی دوربین‌های میلیاردی و تریلیونی FPS شنیده باشید؛ اما احتمالا دوربین‌های خطی‌ای هستند که برای رسیدن به این اعداد تا حدی تقلب می‌کنند.

اگر پالسی از نور به‌طور کامل تکرار شود، پس می‌توانید یکی از آن‌ها را در هر میلی‌ثانیه ارسال کنید؛ اما زمان ثبت دوربین را حتی توسط بخش کوچکتری نظیر تعدادی femtoseconds یا کادریلیوم ثانیه (یک میلیارد بار کوتاه‌تر) جبران می‌کنید. یک پالس را در زمان و مکان فعلی ثبت خواهید کرد، پالس دیگر را هنگامی که دورتر بوده و حتی پالس بعدی هنگامی ثبت شده است که بسیار دورتر از قبلی بوده و برای پالس‌های بعدی به همین ترتیب ادامه می‌دهید. نتیجه‌ی نهایی، فیلمی است که در بسیاری جهات از اولین پالسی که با سرعت بالا ثبت کرده‌اید، غیرقابل تشخیص است.

این موضوع بسیار تأثیرگذار است؛ اما همیشه نمی‌توانید روی توانایی تولید یک پالس نور با میلیون‌ها بار تکرار با روشی دقیقا مشابه حساب کنید. شاید باید ببینید چه اتفاقی می‌افتد وقتی که از میان لنزهای با دقت مهندسی‌شده‌ی laser-etched عبور می‌کند و با اولین پالسی که به آن ضربه می‌زند تغییر می‌کند. در مواردی نظیر این، باید اولین پالس را در زمان واقعی ثبت کنید، یعنی تصاویر نه تنها با دقت کوادریلیوم ثانیه بلکه جدای از کوادریلیوم ثانیه ثبت شوند.

روش T-CUP بدین صورت انجام می‌گیرد؛ ترکیب یک دوربین خطی با یک دوربین دوم ساکن و روش جمع‌آوری داده‌ی استفاده‌شده در توموگرافی یا پرتونگاری مقطعی.

لیونگ وانگ یکی از مشارکت‌کنندگان در این مطالعه، در راستای روشن‌تر شدن موضوع توضیح می‌هد:

می‌دانستیم که تنها با استفاده از یک دوربین خطی، کیفیت تصویر محدود می‌شود؛ بنابراین برای بهبود این وضعیت دوربین دیگری نیز اضافه کردیم که تصویری ایستا ثبت می‌کند. در ترکیب این تصویر با تصویر ثبت‌شده توسط دوربین خطی femtoseconds (کادریلیوم‌ ثانیه) می‌توانیم از چیزی که انتقال رادون نامیده می‌شود، برای دستیابی به تصاویر با کیفیت بالا در هنگام ضبط فریم‌های ۱۰ تریلیونی بر ثانیه استفاده کنیم.

به هرحال، این شیوه از لحاظ فنی اجازه می‌دهد تا تصاویر از لحاظ بعد فضایی و زمانی دیتاکیوب‌ها (محدوده‌ی مقادیر سه‌بعدی که معمولا برای توضیح توالی زمانی داده‌ی یک تصویر استفاده می‌شود)  تا ۱۰۰ فمتوسکندز ثبت شوند. این میزان، ۱۰ تریلیون در هر ثانیه است، یا در صورت اجرای آن در مدت زمانی طولانی به این رقم خواهد رسید، اما چیدمان ذخیره‌سازی‌ای وجود ندارد که بتواند برای نوشتن ۱۰ تریلیون دیتاکیوب در هر ثانیه به‌اندازه‌ی کافی سریع باشد. بنابراین در حال حاظر تنها می‌توانند برای تعدادی از فریم‌های در صف آن را اجرا کنند؛ تعداد ۲۵‌ عدد از آن‌ها در طول آزمایشی در تصویر زیر نشان داده شده است.

این ۲۵ فریم نشان‌دهنده‌ی یک پالس لیزر فمتوسکند طولانی است که از درون یک جداکننده‌ی پرتو عبور می‌کند. توجه داشته باشید که در این مقیاس، زمانی که برای عبور نور از داخل خود لنز صرف می‌شود، چه میزان مهم است. باید این مسائل را به حساب بیاورید.

این سطح از دقت در زمان واقعی بی‌سابقه است؛ اما کار این تیم هنوز تمام نشده است.

لیانگ در یک بیانیه‌ی مطبوعاتی گفته است:

ما از پیش قابلیت‌هایی برای افزایش سرعت تا یک کادریلیون (۱۰۱۵) فریم در ثانیه را در نظر گرفته‌ایم.

ثبت رفتار نور در این مقیاس و با این سطح از وضوح فراتر از موردی است که ما چندین سال پیش قادر به انجام آن بودیم. این ابداع احتمالا ما را وارد حوزه‌های جدیدی از پژوهش فیزیک و مواد ناشناخته می‌کند.