ראמש רסקאר: הדמיה בטריליון פריימים לשניה

דוק אדגרטון עורר בנו השראה עם יראת כבוד וסקרנות עם התמונה הזו של קליע הנורה דרך תפוח, בחשיפה של מיליונית השניה. אבל עכשיו, 50 שנה מאוחר יותר, אנחנו יכולים להגיע למהירויות גבוהות פי מיליון, ולראות את העולם לא במיליון, או מיליארד, אלא בטריליון פריימים לשניה.

אני רוצה להציג לפניכם סוג חדש של צילום, פמטו-צילום, טכניקה צילום חדשה, שהיא כל כך מהירה שניתן ליצור סרטים בהילוך איטי של אור בתנועה. ועם זה, אנחנו יכולים ליצור מצלמות שיכולות לראות מעבר לפינות, מעבר לקו הראיה או להסתכל אל תוך גופנו ללא שימוש בקרני רנטגן, ועל ידי כך לאתגר את היכולות שלנו בעזרת מצלמות.

אם אני לוקח סמן לייזר ומדליק ומכבה אותו לסירוגין בתוך טריליונית השניה -- שזה מספר פמטו-שניות -- אני אייצר כמות מסויימת של פוטונים ברוחב של פחות ממילימטר, והחבילה הזאת של פוטונים, הקליע הזה, ינוע במהירות האור, ושוב, פי מיליון יותר מהר מאשר קליע רגיל. אם ניקח את הקליע הזה, וניקח את החבילה הזאת של פוטונים ונירה אותה לתוך הבקבוק הזה, איך יתפזרו הפוטונים הללו בבקבוק? איך נראה אור בהילוך איטי?

כל האירוע -- (מחיאות כפיים) (מחיאות כפיים)

תזכרו, כל האירוע לוקח בפועל פחות מננו-שניה -- זה הזמן שלוקח לאור להגיע -- אבל אני מאט את מהלך הסרט פי 10 מיליארד כך שאפשר לראות את האור בתנועה.

קוקה קולה לא היו הספונסרים של המחקר. (צחוק)

הרבה דברים קורים במהלך הסרט הזה, אני רוצה לפרק את זה ולהראות לכם מה קורה פה. הפולס נכנס לבקבוק, הקליע שלנו, עם חבילה של פוטונים שעוברת ומתחילה להתפזר בפנים. חלק מהאור בורח ומתפזר על השולחן, ואתם מתחילים לראות את הגלים הללו. חלק גדול מהפוטונים מגיעים בסופו של דבר אל המכסה ואז הם מתפוצצים בכיוונים שונים. כמו שאתם יכולים לראות, יש בועת אוויר, שקופצת מצד לצד בפנים. באותו זמן הגלים נעים על פני השולחן, ובגלל החזרי האור מהחלק העליון, אפשר לראות אחרי כמה פריימים שההחזרים מתמקדים באחורי הבקבוק.

אם ניקח קליע רגיל ניתן לו לעבור מרחק דומה, ואז נאט את הסרט פי 10 מיליארד, אתם יודעים כמה זמן תצטרכו לשבת כאן בשביל לראות את הסרט? יום? שבוע? למעשה, שנה שלמה. זה יהיה סרט משעמם במיוחד -- (צחוק) -- על קליע רגיל, שנע מאוד מאוד לאט.

ומה בנוגע לתמונות של טבע דומם?

אתם יכולים לצפות שוב בגלים ששוטפים את השולחן, העגבניה והקיר מאחוריה. זה כמו לזרוק אבן לתוך שלולית מים.

חשבתי שזה איך שהטבע מצייר תמונה, פמטו פריים אחד אחרי השני, אבל ברור שהעיניים שלנו רואות תמונה אינטרגרלית ומורכבת. אם תסתכלו בעגבניה הזו פעם נוספת, תשימו לב, שכאשר האור שוטף את העגבניה, היא ממשיכה לזהור, היא איננה מוחשכת. למה זה? כיוון שהעגבניה בשלה, והאור קופץ ממקום למקום בתוך העגבניה, והוא יוצא החוצה אחרי מספר טריליוניות השניה. בעתיד, כאשר מצלמת-פמטו נמצאת בתוך המצלמה של הטלפון הסלולארי, נוכל ללכת לסופרמרקט ולבדוק האם פרי כלשהו בשל ללא צורך לגעת בו.

אם כן, כיצד יצר הצוות שלי בMIT את המצלמה הזו? כצלמים, אתם יודעים, אם תצלמו עם חשיפה קצרה, תקבלו כמות קטנה מאוד של אור, ואנחנו רוצים לצלם בקצב המהיר פי מיליארד מהחשיפה הקצרה ביותר במצלמות שלכם, כך שאנחנו מקבלי מעט מאוד אור. אז מה שאנחנו עושים זה לשלוח את הקליע הזה, החבילה הזו של פוטונים, מיליוני פעמים, ומקליטים שוב ושוב בסנכרון מתוחכם, ומתוך ג'יגבייטים של נתונים, שהמחשב טווה יחדיו מתקבלים סרטוני-פמטו כמו זה שהראיתי לכם.

אנחנו יכולים לקחת את כל הנתונים הגלמיים הללו ולטפל בהם בצורה מאוד מעניינת. סופרמן יכול לעוף. גיבורי על אחרים יכולים להפוך לבלתי נראים, אבל מה בנוגע לכוחות על חדשים של גיבור העל העתידי: היכולת לראות מעבר לפינות? הרעיון שאנחנו יכולים להקרין מעט אור על הדלת. הוא הולך לדלג, להסתובב בתוך החדר, חלק מהאור הזה מוקרן חזרה על הדלת, וחזרה אל המצלמה, כך שנוכל לנצל את קפיצות האור הללו.

זה לא מדע בדיוני. באמת בנינו דבר כזה. בצד שמאל, אפשר לראות את מצלמת הפמטו שלנו. יש בובה שמתחבאת מאחורי קיר, ואנחנו הולכים להקפיץ אור דרך הדלת.

אחרי שהמאמר שלנו פורסם בכתב העת המדעי Nature Communication, הוא הודגש באתר האינטרנט Nature.com, והם יצרו את האנימציה הזו.

(מוזיקה)

אנחנו הולכים לשגר את קליעי האור האלה, והם הולכים לפגוע בקיר הזה, ובגלל החבילה הזו של פוטונים, הם יתפזרו לכל הכיוונים, וכמה מהם יגיעו אל הבובה החבוייה שלנו, שבתורה תפזר שוב את האור הפוגע בה, ושוב הדלת תגרום בתורה להחזר של חלק מהאור המפוזר, וחלק מזערי של הפוטונים יחזור חזרה אל המצלמה, אך מה שיותר מעניין, שהאור המפוזר יגיע במסגרות זמן שונות. (מוזיקה)

וכיוון שיש לנו מצלמה שיכולה לעבוד במהירות גבוהה מאוד, מצלמת הפמטו שלנו, יש לה כמה יכולות מיוחדות. יש לה רזולוציה מאוד גבוהה לזמן, והיא יכולה להסתכל על העולם במהירות האור. בשיטה הזו, אנחנו יודעים מהו המרחק, כמובן, ביננו לבין הדלת, ובנוסף גם את המרחק לחפצים חבויים, אבל אנחנו לא יודעים איזו נקודה מייצגת איזה מרחק. (מוזיקה)

על ידי הקרנה בעזרת לייזר יחיד, אנחנו יכולים לקבל תמונה גולמית אחת, שבהסתכלות על המסך, היא חסרת הגיון כלשהו, אבל אז אנחנו מצלמים עוד הרבה תמונות כאלה, כמה עשרות של תמונות כאלה, מניחים אותן יחד, ומנסים לנתח את הקפיצות השונות של האור, ומזה, נוכל לראות את החפצים החבויים? האם נוכל לראות זאת בתלת מימד מלא?

זה המודל שהצלחנו לבנות. (מוזיקה) (מוזיקה) (מוזיקה) (מחיאות כפיים)

יש לנו עוד מספר דברים לעשות לפני שאנחנו לוקחים את זה לניסויים מחוץ למעבדה, אבל בעתיד, נוכל ליצור מכוניות שיכולות למנוע התנגשות עם מה שנמצא מעבר לעיקול, או שנוכל לחפש אנשים ששרדו כל מיני מצבים מסוכנים על ידי ניתוח של אור המתפזר דרך חלון פתוח, או שנוכל לבנות אנדוסקופ שיכול לראות עמוק אל תוך הגוף מעבר לחסמים, וגם קרדיוסקופים. אבל כמובן, בגלל רקמות ודם, זה קצת מאתגר, כך שזו למעשה קריאה למדענים להתחיל לחשוב על צילום-פמטו כדרך חדשה של הדמיה הפותרת את הדור הבא של בעיות בצילום רפואי.

עכשיו, כמו דוק אדגרטון, מדען בעצמו, מדע הפך לאמנות, אמנות של צילום סופר מהיר, והבנתי שאת כל הג'יגבייטים של נתונים שאנחנו אוספים בכל פעם זה לא רק על מנת לבצע הדמיה מדעית, אלא גם יכול לבצע סוג חדש של צילום ממוחשב עם קפיצות זמן וקידוד צבעים, כאשר אנו מסתכלים על הגלים הללו, הזמן בין הגלים הללו הוא בסך הכל מספר טריליוניות השניה.

אבל קורה כאן משהו מצחיק. כאשר מסתכלים על הגלים מתחת לפקק, הגלים מתרחקים מאיתנו. הגלים אמורים לנוע לכיווננו. מה קורה כאן?

מתברר, שכיוון שאנו מקליטים במהירות הקרובה למהירות האור, מתקבלים אפקטים מוזרים, איינשטיין היה מת לראות את התמונה הזו. הסדר שבו האירועים קורים בעולם נראים לפעמים במצלמה בסדר הפוך, ועל ידי ביצוע תיקונים בעיוותי הזמן-חלל, אנחנו יכולים לתקן את ההפרעה.

כך שלא משנה אם מדובר בצילום מעבר לפינות, או יצירת הדור הבא של הדמיה רפואית, או יצירת דימויים חדשים, מאז ההמצאה שלנו, פתחנו לציבור באופן חופשי את כל הנתונים שאספנו באתר האינטרנט שלנו, ואנו מקווים שהקהילה המדעית, היוצרת, תראה לנו שאנחנו צריכים להפסיק להיצמד לערך המגה-פיקסלים במצלמות שלנו -- (צחוק) -- ולהתחיל להתמקד במימד הבא בהדמיה. הגיע הזמן. תודה רבה. (מחיאות כפיים) (מחיאות כפיים)