CUSP؛ سریع‌ترین دوربین دنیا با توانایی ثبت ۷۰ تریلیون فریم در هر ثانیه
بسیاری از کسانی که این مقاله را می‌خوانند، ممکن است تجربه‌ی پلک‌زدن هنگام گرفته‌شدن عکس را داشته باشند. دوربین فرایند کوتاه‌مدت عکس‌گرفتن را شروع می‌کند و چشمان شما بسته و عکس ثبت می‌شود. تا زمانی‌که چشم‌های خود را بازکنید، عکس ثبت و نتیجه‌ی نهایی خراب شده است. دوربین فوق‌سریع جدید تولید مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا نیز ممکن است موقع عکس‌گرفتن، چنین مشکلی پیش بیاورد، با این تفاوت که در دوربین‌های عادی، تنها یک عکس از شما با چشم بسته ثبت می‌شود؛ اما در دوربین جدید این مؤسسه در همان زمان کوتاه چند تریلیون عکس گرفته می‌شود.
اخیرا تیمی متشکل از چندین محقق وابسته به مؤسسه فناوری کالیفرنیا موسوم به کالتک (CalTech) توانسته است دوربینی جدید با توانایی ثبت بیش از یک‌تریلیون فریمبرثانیه تولید کند. این تیم پیش‌تر موفق شده بود دوربینی تولید کند که ۱۰ تریلیون فریمبرثانیه ثبت می‌کرد و از آن به‌عنوان سریع‌ترین دوربین دنیا یاد می‌شد. بااین‌حال، دوربین جدید تیم ویژه‌ی کالتک با توانایی ثبت حداکثر ۷۰ تریلیون فریمبرثانیه، از‌این‌پس سریع‌ترین دوربین دنیا شناخته می‌شود. این نرخ فریم برای دوربین جدید کالتک امکان دیدن حرکت امواج نور و حتی فروپاشی فلوئورسنت مولکول‌ها را فراهم می‌کند.
دوربین مذکور دستاوردی جدید برای کالتک به‌شمار می‌آید و نسخه‌ی بهبودیافته‌ی دوربین‌های ویژه‌ی این مؤسسه است که از آن با نام «دوربین‌های دارای توانایی ثبت بیش از یک‌تریلیون فریم در هر ثانیه» یاد می‌شود. تمامی این دوربین‌ها نوعی مدل خاص از دوربین‌های سری CUP (عکاسی فوق‌سریع فشرده) به‌شمار می‌آیند. جدیدترین دوربین کالتک با نام CUSP شناخته می‌شود که مخفف Compressed Ultrafast Spectral Photography است. افرادی که این دوربین را تولید کرده‌اند، پیش‌تر توانسته بودند در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا تصاویری از پدیده‌های ناپیدا نظیر جهش سلول‌های عصبی و امواج شوک را با نرخ یک‌تریلیون فریمبرثانیه ثبت کنند.
دوربین جدید کالتک در مدتی که نور برای یک میلی‌متر حرکت به‌سمت جلو نیاز دارد، تقریبا ۲۳۰ فریم ثبت می‌کند
دوربین CUSP را لی‌هانگ وانگ و اعضای تیمش در کالتک ساخته‌اند و از نوعی لیزر خاص بهره می‌برد که می‌تواند پالس‌های کوتاه نور لیزر را ساطع کند. این پالس‌ها تنها به‌مدت یک کوادریلیونم ثانیه ساطع می‌شوند و سپس از بین می‌روند. همچنین، دوربین CUSP تجهیزات نوری ویژه‌ای دارد که برای جداسازی هریک از پالس‌ها و تبدیلشان به رشته‌ای از پالس‌های نوری کوتاه‌تر فعالیت می‌کنند. هریک از این پالس‌ها درنهایت می‌توانند یک تصویر را در دوربین ایجاد کنند. این‌ها تنها مراحل تئوری کار هستند و عملی‌کردن چنین روندی بسیار پیچیده است. کالتک برای اینکه توانایی دوربین جدیدش را به کاربران عادی بفهماند، تصویر متحرکی نیز منتشر کرده است.
در تصویر متحرک زیر که نسخه‌ی اصلی و باکیفیت آن را می‌توانید با مراجعه به این لینک دریافت کنید، یک پالس نوری از روی گروهی از حرف‌ها عبور می‌کند که درکنار یکدیگر کلمه‌ی Caltech را تشکیل می‌دهند. پالس سمت چپ با نرخ ۱۰ تریلیون‌بر‌ثانیه ازطریق دوربین T-CUP و پالس سمت راست با نرخ ۷۰ تریلیون‌بر‌ثانیه ازطریق دوربین CUSP ثبت شده است. در نظر داشته باشید هریک از این پالس‌ها تنها ۱/۵ پیکوثانیه یا ۱/۵ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۱۲ (۱۲-۱۰×۱/۵) ثانیه به‌نمایش درمی‌آیند. این عدد به ۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱۵ ثانیه تعبیر می‌شود.
افراد علاقه‌مند به مباحث ریاضی و فیزیک به‌خوبی می‌دانند سرعت نور اندکی کمتر از ۳۰۰ میلیارد میلی‌متربرثانیه (دقیق‌تر ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متر‌برثانیه) است. اگر نرخ ۷۰ تریلیون‌فریم‌برثانیه‌ی دوربین CUSP را به واحدهایی ۳۰۰ میلیارد میلی‌متربرثانیه‌ای تقسیم کنیم، به این نتیجه می‌رسیم به‌ازای هر میلی‌متری که نور طی می‌کند، تقریبا به ۲۳۳/۳ فریم دست پیدا خواهیم کرد. به‌بیان‌بهتر، دوربین جدید کالتک در مدتی که نور برای یک میلی‌متر حرکت به‌سمت جلو نیاز دارد، تقریبا ۲۳۰ فریم ثبت می‌کند. این عدد دیوانه‌وار است!
ازطریق CUSP می‌توان پدیده‌هایی نظیر هم‌جوشی هسته‌ای و حرکت امواج نور را ثبت کرد
ناگفته نماند لی‌هانگ وانگ و تیمش پیش‌تر توانسته بودند دوربینی با عنوان pCUP (مجهز به فناوری عکاسی فوق‌سریع فشرده‌ی حساس به فاز) تولید کنند که ازپس ثبت تصاویری با نرخ یک‌تریلیون فریمبرثانیه از پدیده‌ها و اشیاء ناپیدا برمی‌آید. لی‌هانگ وانگ می‌گوید دوربین جدید CUSP درهای جدیدی به‌روی محققان به‌منظور تحقیق عمیق‌تر و دقیق‌تر روی مباحث مختلف فیزیک بنیادی و علوم زیستی بازمی‌کند.
ممکن است این موضوع را تاکنون خودتان حدس زده باشید؛ اما بهتر است بدانید سیستم CUSP به‌‌زودی نخواهد توانست عکس‌های عادی ثبت کند و حتی امکان دارد این اتفاق هیچ‌گاه رخ ندهد. فناوری به‌کاررفته در این دوربین به‌منظور ثبت پدیده‌هایی نظیر هم‌جوشیِ هسته‌ای و فروپاشی فلوئورسنت مولکول‌ها یا حرکت امواج نور استفاده خواهد شد که برای مدت بسیار کوتاهی دوام می‌آورند. برخی از این پدیده‌ها را می‌شد پیش‌تر ازطریق دوربین T-CUP نیز ثبت کرد که توانایی ضبط ۱۰ تریلیون فریمبرثانیه را دارد. بااین‌حال، هفت‌برابر‌شدن نرخ فریم در CUSP باعث شده است ازطریق این دوربین جدید بتوان برخی پدیده‌های طبیعی ناپیدا را ثبت کرد که پیش‌تر دیدن و شناختن آن‌ها ممکن نبود.
برای کسب اطلاعات بیشتر از این دوربین انقلابی در حوزه‌ی تصویربرداری فِمتوثانیه‌ای، می‌توانید وارد وب‌سایت رسمی مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا شوید. همچنین، اگر به دانستن جزئیات کامل این دوربین علاقه دارید، می‌توانید به این لینک بروید یا به شماره‌ی جدید مجله‌ی Nature Communications چاپ ۲۹ آوریل ۲۰۲۰ (۱۰ اردیبهشت ۱۳۹۹) نگاهی بیندازید.
دیدگاه شما کاربران زومیت درباره‌ی سریع‌ترین دوربین دنیا چیست؟
نظرات