原子是出了名的怕镜头的生物。这款炫目的定制装置可以捕捉它们。

在芝加哥郊区，距离密歇根湖以西约 34 英里的地方，地上有一个深约 330 英尺的洞。很久以前，科学家们曾为一个早已从这个世界上消失的粒子物理实验钻过这个竖井。现在，短短几年后，他们将重新利用这个竖井进行一个神秘的新项目，该项目名为 MAGIS-100。

当 MAGIS-100 完工后，物理学家们计划用它来探测隐藏的宝藏：暗物质，一种神秘的、看不见的物质，被认为构成了宇宙的大部分；引力波，一种由黑洞碰撞等宇宙冲击引起的时空涟漪。他们希望通过观察这些难以捉摸的现象在雨滴大小的锶原子云上留下的量子特征来找到这些现象的踪迹。

但实际上观察这些原子比你想象的要困难得多。为了进行类似的实验，物理学家迄今为止依靠的都是与智能手机上的相机相当的相机。虽然这项技术可能适合拍摄日落或美味的食物，但它限制了物理学家在原子层面上所能看到的范围。

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幸运的是，一些物理学家可能已经找到了解决方法。来自加利福尼亚州斯坦福市不同研究小组的研究团队发明了一种独特的相机装置，它依靠一个圆顶镜子。额外的反射帮助他们看到进入镜头的光线，并判断某个光斑来自哪个角度。他们希望，这将使他们能够以前所未有的方式窥视原子云。

你的手机相机或数码单反相机并不关心光从哪里传播：它只捕捉光子的强度和波长反射的颜色，仅此而已。对于拍摄你的家人、城市天际线或大峡谷，这一切都很好。但对于研究原子，它还有很大的改进空间。“你浪费了很多光，”斯坦福大学物理学研究生、发明者之一穆尔塔扎·萨夫达里说。

物理学家希望保存这些信息，因为这样他们才能绘制出他们所研究物体的更复杂的 3D 图景。对于物理学家喜欢做的精细分析，他们一次获得的信息越多，就越快越好。

获取这些信息的一种方法是设置多个摄像头，让它们从多个角度拍摄照片，然后将它们拼接起来，以获得更详细的视图。如果使用五台摄像头，效果会很好。但有些物理实验需要非常精确的测量，即使使用一千台摄像头也可能无法达到目的。

因此，在斯坦福大学的地下室里，研究人员决定着手制作自己的系统来解决这个问题。“我们的想法……基本上是：我们能否尝试完全捕获尽可能多的信息，并且我们能否保留方向信息？”萨夫达里说。

他们最终的原型由现成的和 3D 打印的组件制成，看起来像一个浅圆顶，内部点缀着一排镜子般的小圆点。图案似乎形成了一种有趣的同心圆视觉错觉，但它经过精心计算，可以最大限度地增加照射到相机上的光线。

对于 MAGIS-100 项目来说，拍摄对象——锶原子云——将位于穹顶内。外部激光束发出的短暂闪光将从镜点散射并以无数角度穿过云层。镜头将拾取由此产生的反射，了解它们如何与分子相互作用，以及它们从哪些点反弹。

然后，机器学习算法可以根据这些信息将云的三维结构重新拼凑起来。目前，这种重建需要花费数秒的时间；在理想情况下，它需要几毫秒甚至更短的时间。但是，就像用于训练自动驾驶汽车适应周围世界的算法一样，研究人员认为他们的计算机代码的性能将会提高。

虽然创作者还没有开始在原子上测试相机，但他们确实通过扫描一些合适大小的样品部件进行了尝试：3D 打印的字母形状的碎片，大小与他们打算使用的锶滴一样。他们拍摄的照片非常清晰，他们可以发现小字母 D、O 和 E 与预期设计不同的缺陷。

对于像 MAGIS-100 这样的原子实验，该设备与市场上的其他设备截然不同。“最先进的设备只是相机、商用相机和镜头，”加州 SLAC 国家加速器实验室的物理学家、斯坦福设备的共同创建者 Ariel Schwartzman 说。他们仔细搜索了摄影设备目录，寻找可以同时从多个角度观察原子云的设备。“什么都没有，”Schwartzman 说。

让问题更加复杂的是，许多实验要求原子处于极低的温度下，几乎不高于绝对零度。这意味着它们需要低光照条件——任何明亮的光源照射太长时间都会导致原子过快升温。在相机上设置更长的曝光时间可能会有所帮助，但这也意味着牺牲最终图像所需的一些细节和信息。“你让原子云扩散，”斯坦福大学物理学研究生、相机制造团队成员 Sanha Cheong 说。另一方面，镜面圆顶旨在仅使用曝光时间为微秒的短暂激光闪光。

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创造者的下一个挑战是将相机真正地放入 MAGIS-100 中，这需要大量的调整才能将相机安装到更大的轴上并置于真空中。但物理学家们充满希望：像这样的相机可能比检测原子周围的模糊效应更有用。其设计者计划将其用于从跟踪等离子体中的粒子到测量工厂中小零件的质量控制等所有领域。

“能够在最短的曝光时间内通过一次拍摄捕捉到尽可能多的光线和信息——它打开了新的大门，”Cheong 说。