本文最初出现在科普．
在芝加哥郊区，密歇根湖以西约34英里处，有一个直下约330英尺的洞。很久以前，科学家们为了一个早就从这个世界上消失的粒子物理实验钻孔了这个竖井。现在，在短短的几年内，他们将重新利用竖井进行一个新的项目，这个项目有一个神秘的名字魔法师- 100．
当MAGIS-100完成后，物理学家计划用它来探测隐藏的宝藏:暗物质，神秘的无形物质某物这被认为构成了宇宙的大部分;引力波是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找到踪迹量子签名它们留下雨滴大小的锶原子云。
但实际上观察这些原子比你想象的要复杂得多。到目前为止，为了完成类似的实验，物理学家们一直依赖与智能手机类似的摄像头。虽然这项技术可以很好地拍摄日落或看起来很美味的食物照片，但它限制了物理学家在原子水平上看到的东西。
斯坦福大学开发的暗物质相机充分利用了镜子
幸运的是，一些物理学家可能会升级。来自加州斯坦福大学不同小组的一个研究小组创造了一个独特的相机装置这要靠圆顶的镜子。额外的反射帮助他们看到什么样的光进入了晶状体，并告诉他们某片光是从什么角度来的。他们希望，这将使他们能够以前所未有的方式窥探原子云。
你的手机相机或单反相机并不关心光从哪里来:它只捕捉光子的强度和波长反射的颜色，仅此而已。为你的家庭、城市天际线或大峡谷拍照，这都是很好的。但是对于研究原子来说，还有很多需要改进的地方。“你浪费了很多光，”他说穆尔塔扎Safdari他是斯坦福大学物理学研究生，也是该软件的创建者之一。
物理学家希望保存这些信息，因为这可以让他们描绘出他们正在研究的物体(或物体)更复杂的3D图像。当涉及到物理学家喜欢做的挑剔的分析时，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台相机，让它们从多个角度抓拍照片，并将它们拼接在一起，以获得更详细的视图。这在5个摄像头的情况下效果很好。但是，一些物理实验需要如此精确的测量，即使一千台摄像机也可能无法做到这一点。
因此，在斯坦福大学的一间地下室里，研究人员决定着手制作他们自己的系统来解决这个问题。“我们的想法基本上是:我们能否尝试并完全捕获尽可能多的信息，我们能否保留定向信息?”Safdari说。
他们的成品原型是由现成的和3 d打印组件——看起来像一个浅圆顶，里面有一排镜子一样的小圆点。这种图案似乎形成了一种有趣的同心圆的光学错觉，但它是精心计算的，以最大限度地提高光线击中相机。
暗物质相机是如何工作的
在MAGIS-100项目中，拍摄的对象——锶原子云——将位于圆顶内。来自外部的激光束发出的短暂闪光，就会从无数个角度驱散镜像点，穿过云层。透镜会捕捉到产生的反射，它们是如何与分子相互作用的，以及它们被哪些点反弹了。
然后，根据这些信息，机器学习算法可以把云的三维结构拼凑起来。目前，这种重构需要很多秒;在理想的情况下，这需要几毫秒，甚至更短的时间。但是，就像用来训练自动驾驶汽车适应周围环境的算法一样，研究人员认为他们的计算机代码的性能将会提高。
虽然研发人员还没有抽出时间在原子上测试相机，但他们确实通过扫描一些适当大小的样本部件进行了测试:3d打印的字母形状的部件，大小与他们打算使用的锶液滴差不多。他们拍的照片非常清晰，他们可以发现小字母D、O和E与他们的设计不符的地方。
对于MAGIS-100这样的原子实验，这种设备与市场上的任何其他设备都不同。“目前最先进的只有相机、商业相机和镜头，”他说爱丽儿舒瓦他是加州SLAC国家加速器实验室的物理学家，也是斯坦福大学装置的共同创造者。他们翻遍了摄影设备的目录，寻找能同时从多个角度看到原子云的设备。“什么都没有，”施瓦茨曼说。
暗物质相机的下一步是什么
更复杂的是，许多实验要求原子在极低的温度下静止，仅略高于绝对零度。这意味着它们需要低光条件——任何明亮的光源照射太久都会使它们过热。设置较长的曝光时间在相机上可能会有帮助，但这也意味着牺牲一些最终图像所需的细节和信息。“你是在允许原子云扩散，”他说郑车厢上载着桑哈他是斯坦福大学(Stanford University)的物理学研究生，也是相机制作团队的一员。另一方面，镜面穹顶的目的是只使用短暂的激光闪光，曝光时间只有微秒。
创作者的下一个挑战是将相机真正放置在MAGIS-100中，这将需要大量的修补工作来将相机安装在一个更大的轴和真空中。但物理学家还是抱有希望的:这样的相机可能比探测原子周围的模糊效应走得更远。它的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的所有事情。
“能够在最短的曝光时间内在一张照片中捕捉到尽可能多的光线和信息——这打开了一扇新的大门，”郑说。