לצלם במהירות... האור

פוטו-פיניש למתקדמים. מדענים הצליחו לפתח מצלמה כל כך מהירה, שאפשר לצלם בה אפילו את תנועת האור עצמו. ראו את הסרטונים

בשנים האחרונות התרגלנו לראות מצלמות יותר ויותר מהירות, שמאפשרות לנו לראות הילוך אטי של תהליכים שהעין האנושית כמעט שאינה מספיקה לראות. בעזרת מצלמות משוכללות כאלו אפשר למשל ללמוד איך כלב שותה מים בעזרת לשונו:

או לראות מה קורה לקליעי אקדח כשיורים אותם על משטחים שונים, שחלקם חדירים וחלקם חסיני כדורים:

מהירות המצלמה תלויה במספר התמונות שהיא יכולה לקלוט בשנייה. הסרטון של כדורי האקדח צולם על ידי מערכת שיכולה לצלם כמיליון תמונות בשנייה. מהירות צילום כזו מאפשרת לנו לראות תהליכים שנמשכים כמה מיקרו-שניות, כמו התרסקות קליע האקדח כשהוא פוגע במשטח חסין.

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצוסטס (MIT) בארצות הברית הצליחו השנה לבנות מערכת צילום שמצלמת מאה מיליארד תמונות בשנייה! באופן תיאורטי קצב צילום כזה יכול לאפשר לנו לראות תהליכים סופר-מהירים שעין אנושית לא ראתה כמותם מעולם. מדובר בתהליכים שנמשכים עשרות פיקו-שניות, כלומר עשרות טריליוניות השנייה.

מבחינה מדעית המצלמה הזאת יכולה לשפוך אור על תהליכים שמתרחשים קרוב למהירות האור, כ-300 מיליון מטר בשנייה. ואם זה המצב, אז למה לא לצלם את האור עצמו? באופן מדהים, החוקרים אכן הצליחו לצלם את האור מתקדם במרחב במהירות גדולה פי מיליון מקליע אקדח!

פעימת אור פוגשת מראה במאה מיליארד תמונות בשנייה

פעימת אור עוברת בתווך נוזלי בתוך בקבוק

בצילומים כאלה אפשר לראות תהליכים שאמנם ידועים כבר שנים רבות, אך לא נראו בצורה כזו מעולם. הסרטון מראה בפועל את התקדמות האור לפי חוק סנל: ההחזרה של אור ממראה ושינוי הזווית ומהירות ההתקדמות של האור כשהוא עובר מחומר אחד לחומר אחד.

מערכת הצילום משתמשת במספר רב של גלאים, שכל אחד מהם מופעל בעיכוב זעיר לעומת זה שקדם לו, כך שאף על פי שכל גלאי בפני עצמו אינו מהיר במיוחד, יחד מקבלים קצב צילום מרהיב. הסנכרון של מערכת הגלאים עם זמני הפעלה עד כדי כך מדויקים מתאפשר על ידי מערכת בקרה אלקטרונית מתקדמת ותוכנה מתוחכמת, שיוצרים יחד מערכת צילום סופר מהירה.

אמנם לא מדובר במצלמה שכדאי לכל אחד מאיתנו לרכוש, אבל יש לה כמה שימושים חשובים. עד כה נהגו למדוד תופעות סופר-מהירות באמצעים עקיפים והסבירו אותם בעזרת תיאוריות פיסיקליות. כעת יכולים מדענים ממש לצלם תופעות כאלה ולהשוות את התמונות לתיאוריות שעד כה היו הדרך היחידה להבנתן.

מעבר לכך, רמת הפרדה דחוסה של הזמן כמו זאת שהמערכת מספקת יכולה לשפוך אור חדש על המחקר והפיתוח של חומרים באופן כללי, ובפרט על ההתנהגות שלהם במצבים קיצוניים כמו פיצוץ. המערכת יכולה לתעד בפרטי פרטים איך חומר מתמודד עם פיצוץ עז, האם הוא מתפרק ומהם שלבי ההתפרקות שלו, או איך הוא מצליח להתמודדת עם כמויות האנרגיה האדירות בלי להתפרק לרסיסים.

קשה לחזות מה יהיה השלב הבא וכמה מהר נדע לצלם בעתיד. אבל ייתכן שהצילום המהיר יאפשר לנו לחזות לראשונה בתופעות טבע ידועות ואולי אפילו לגלות תופעות חדשות שלא הכרנו עד כה. אפשר לומר שלרובנו אין צורך מיידי ויומיומי במצלמה שתוכל לעקוב אחרי אור, אבל אפשר לומר בוודאות שזה ממש ממש מגניב.

איתן אוקסנברג
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.