在芝加哥郊区，密歇根湖以西约 34 英里处，有一个深达约 330 英尺的地下竖井。很久以前，科学家们为一项早已消失的粒子物理学实验钻了这个竖井。现在，在短短几年内，他们将为一项名为 MAGIS-100 的神秘项目重新利用该竖井。
MAGIS-100 完成后，物理学家们计划用它来探测隐藏的宝藏：暗物质，即被认为是构成宇宙大部分的神秘不可见物质；以及引力波，即由黑洞碰撞等宇宙冲击在时空中引起的涟漪。他们希望通过观察这些现象在雨滴大小的锶原子团上留下的 量子信号 来找到这些难以捉摸现象的痕迹。
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，物理学家们迄今为止一直依赖于与智能手机相机差不多的相机。虽然这项技术可能适用于拍摄日落或看起来美味的食物照片，但它限制了物理学家在原子层面可以看到的内容。
幸运的是，一些物理学家可能有了升级。来自加州斯坦福大学不同研究团队的一组研究人员 创造了一种独特的相机装置，该装置依赖于一个由镜子组成的穹顶。额外的反射可以帮助他们看到进入镜头的光线，并确定特定光斑来自哪个角度。他们希望，这能让他们以前所未有的方式窥探原子团。
你的手机相机或数码单反相机并不关心光线从何而来：它们捕捉光子的强度以及波长反射出的颜色，仅此而已。对于拍摄你的家人、城市天际线或大峡谷的照片来说，这都没问题。但对于研究原子来说，这就远远不够了。“你浪费了很多光，”斯坦福大学物理学研究生、该装置的创作者之一 Murtaza Safdari 说。
物理学家希望保留这些信息，因为这能让他们更全面地描绘他们正在研究的物体（或物体们）的复杂三维图像。对于物理学家喜欢的精细分析来说，一次拍摄获得的信息越多，就越快、越好。
获得这些信息的一种方法是设置多个相机，让他们可以从多个角度拍照并拼接在一起以获得更详细的视图。这对于，比如说，五个相机来说效果很好。但一些物理学实验需要非常精确的测量，即使有上千个相机也可能不够。
因此，在斯坦福大学的一间地下室里，研究人员决定着手制造自己的系统来解决这个问题。“我们的想法……基本上是：我们能否尝试并尽可能多地捕获信息，我们能否保留方向信息？” Safdari 说。
他们最终的原型——由现成的和 3D 打印的组件构成——看起来像一个浅穹顶，内侧装饰着一排排小小的镜面圆点。这种图案似乎形成了一个有趣的同心圆光学错觉，但它是经过精心计算以最大化照射到相机上的光线的。
对于 MAGIS-100 项目，拍摄对象——锶原子团——将位于穹顶内。外部激光束的短暂光闪将散射到镜面圆点上，然后以各种角度穿过原子团。镜头将捕捉由此产生的反射、它们与分子的相互作用以及它们反射的圆点。
然后，根据这些信息，机器学习算法可以将原子团的三维结构重新组合起来。目前，这种重构需要很多秒；理想情况下，它只需要毫秒，甚至更少。但是，就像用于训练自动驾驶汽车以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。
尽管创作者还没有机会在原子上测试这款相机，但他们确实尝试使用尺寸合适的样品部件进行了测试：3D 打印的字母形状的部件，尺寸与他们打算使用的锶液滴相似。他们拍摄的照片非常清晰，以至于他们可以发现小写字母 D、O 和 E 在设计上与预期设计不符的缺陷。
对于像 MAGIS-100 这样的原子实验，这种设备与市场上任何其他产品都不同。“最先进的技术就是相机、商用相机和镜头，”加州 SLAC 国家加速器实验室的物理学家、斯坦福装置的联合创作者 Ariel Schwartzman 说。他们翻阅了摄影器材目录，寻找能同时从多个角度观察原子团的设备。“什么都没有，”Schwartzman 说。
更复杂的是，许多实验要求原子处于极低的温度下，几乎接近绝对零度。这意味着它们需要低光照条件——长时间照射任何明亮的信源都可能过快地加热它们。在相机上设置 更长的曝光时间 可能有帮助，但这也意味着要牺牲一些最终图像所需的细节和信息。“你会让原子团扩散，”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，镜面穹顶旨在仅使用微秒曝光的短暂激光闪光。
创作者的下一个挑战是将相机实际安装到 MAGIS-100 中，这将需要大量的调整才能将相机适应更大的竖井并在真空中工作。但物理学家们充满希望：这样的相机可能比探测原子周围的晦涩效应走得更远。其设计者计划将其用于各种目的，从跟踪等离子体中的粒子到测量工厂中小型零件的质量控制。
“能够在最短的曝光时间内，在一次拍摄中捕获尽可能多的光线和信息——这开启了新的可能性，”Cheong 说。
