לקרוא עיתון מקילומטרים

אתם יוצאים מבדיקה אצל האופטומטריסט שמחים וטובי לב. הראייה שלכם תקינה לגמרי – אפילו את האותיות הקטנות בלוח קראתם בקלי קלות. זה הזמן להודות לאמא טבע.

עין האדם היא מכשיר אופטי מופלא ומורכב, שמסוגל לקלוט קרני אור מהסביבה ולהמיר אותן לאות עצבי שהמוח שלנו יודע לפענח. ולא סתם העיניים אינן צמודות זו לזו – בזכות זה אנחנו רואים בשלושה ממדים וחווים את המרחב במלוא הדרו.

אבל לעין שלנו יש גם מגבלות: אם משהו רחוק מדי או קטן מדי, לא נראה אותו. אנחנו לא מסוגלים להבחין בפרטים ממרחקים של קילומטרים או לראות עצמים מיקרוסקופיים. בשונה מאיתנו טלסקופים מסוגלים לצפות למרחקים עצומים, אבל גם הם לא מסוגלים להבחין בפרטים קטנים במרחק. המגבלות של הרכיבים האופטיים קובעות את הרזולוציה (כושר ההפרדה) שהם יכולים לקלוט, כלומר היחס בין גודל הפרטים שאנו צופים בהם לבין המרחק שלנו מהעצם.

מערכת חדשה שפיתחו חוקרים באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין ובמכון שיאן לאופטיקה, גם הוא בסין, ובהשתתפות הפיזיקאי האמריקאי חתן פרס נובל פרנק וילצ’ק (Wilczek), מנסה למתוח את גבולות הרזולוציה האופטית הקיימים. היעד שאפתני: לקרוא אותיות בגודל של פחות מסנטימטר ממרחק של למעלה מקילומטר, והם הראו שזה אפשרי. לא מדובר בראייה פשוטה, כמובן, ושום עין לא לקחה חלק פעיל בפענוח התמונה הרחוקה. כדי לראות פרטים כל כך קטנים ממרחק כל כך גדול החוקרים פיתחו מערכת אופטית ממוחשבת שמסתכלת על האור מזווית קצת אחרת. 

כשגל פוגש גל

במערך החדש שהציעו החוקרים, במקום לקרוא מרחוק את האור המגיע מהעצם באופן ישיר, שכן תצפית כזאת מוגבלת בכושר הפרדה שלא מאפשר לקרוא את האותיות ממרחק, הם בחנו תצפית עקיפה. השיטה מתחילה בכך שמקרינים אלומת אור לייזר בטווח התת-אדום ומפצלים אותה באמצעים אופטיים לשמונה קרניים. הקרניים מכוונות כך שיפגעו בעצם רחוק, ובעקבות הפגיעה בו הן מתפזרות לכיוונים שונים. העצם, במקרה של הניסוי האות, נכתבת באמצעות ציפוי מחזיר אור בעוד הרקע של האות עשוי ממשטח שחור שלא מחזיר אור. כך מובטח שהקרניים שהוחזרו הגיעו רק מהאות. הקרניים המפוזרות מתאבכות אלה עם אלה, ואז שני טלסקופים לוכדים את תבנית ההתאבכות שנוצרה.

התאבכות היא מה שקורה כששני גלים (או יותר) נפגשים. בגלים מכניים, למשל גלים בים או רעידות בממברנה של תוף, הגלים יכולים להגביר או להחליש זה את זה בנקודות המפגש. כששני שיאים או שני עמקים נפגשים, הגלים הנפרדים מתחברים לשיא משותף חדש והגל מתגבר, וכששיא ועמק נפגשים הם מבטלים זה את זה והגל נחלש. תבנית ההתאבכות מעידה על היחס שבין הגלים שנפגשים.

אור, שבמקרה הזה מגיע מקרני הלייזר, מתנהג גם כמו חלקיק וגם כמו גל. גלי האור שפוצלו בתחילת הדרך מתאבכים זה עם זה. תבנית ההתאבכות מאפשרת לנו לחשב את ההפרש בין הדרכים האופטיות שעברו הקרניים המפוצלות, שיכולים להיות זעירים מאוד. הפרשי הדרכים האלו מושפעים מהעצמים שהאור פוגע בהם בדרך, עד שהוא נקלט במכשיר תצפית, ובמקרה של הניסוי הזה – בטלסקופים. תבנית ההתאבכות טומנת בחובה עדות לצורת העצם שבה האור פגע בדרך.

שימוש בתופעת ההתאבכות על מנת לחקור את טבען של מערכות פיזיקליות אינו רעיון חדש. התחום, שנקרא אינטרפרומטריה (Interferometry), כולל אוסף של שיטות שמשתמשות בתבנית ההתאבכות של קרני אור שפוצלו במגוון דרכים מהאלומה המקורית, כדי לקבל מידע פיזיקלי.

אינטרפרומטריית עוצמה

השיטה בבסיס המערכת נקראת אינטרפרומטריית עוצמה, וגם הרעיון מאחוריה איננו חדש – כבר לפני 70 שנה הוצע להשתמש באינטרפרומטריית עוצמה לאיסוף נתונים על הכוכב הבהיר סיריוס. אלא שבמקרה של כוכב הגלים המתאבכים נפלטים מהכוכב עצמו. השימוש שמוצע כאן הוא אכן כיוון חדש ומלהיב, מכיוון שבניגוד לכוכבים, טקסטים כתובים לא פולטים אור בעצמם. הלייזר שמפוזר מהאותיות המודפסות משמש תחליף.

כדי שהשיטה תעבוד היטב וההתאבכות תניב מידע מספיק לשחזור העצם, יש צורך במקור אור שבו הפוטונים אינם קוהרנטיים זה ביחס לזה, כלומר אי אפשר לנבא את הקשר ביניהם בזמן ובמרחב. לכן שימוש בלייזר אחד אינו מתאים: הפוטונים בו קוהרנטיים. מקור לא קוהרנטי מטבעו הוא אור שנוצר כתוצאה מתהליך תרמי, כמו אור השמש ואשר בו הפוטונים “מבולגנים” לגמרי זה ביחס לזה. אולם גם האור התרמי אינו מתאים, בשל מגבלות טכניות, בראשן חוסר היכולת למקד את האלומה בעוצמה גבוהה מספיק כך שהיא תיקלט במכשיר מדידה רחוק. אלא שהחוקרים הפכו את הלימון הזה ללימונדה: המערבולות האטמוספריות שנמצאות בדרך שהקרניים עוברות מוציאות את קרני הלייזר שפוצלו מסנכרון, וכך מצליחים לקבל אור פסאודו-תרמי, שמצד אחד מתנהג בצורה לא קוהרנטית, ומצד שני עוקף את המגבלות הטכניות הכרוכות באור תרמי. 

ההתאבכות שבאמצעותה נמדד העצם אינה התאבכות רגילה. האור הפסאודו-תרמי מרצד כל העת, כתוצאה מהמערבולות בדרך העוצמה שלו משתנה באופן אקראי. שני טלסקופים שמכוונים לעבר אותו האזור קולטים את התבניות המרצדות הללו. 

טובים השניים מן האחד

באמצעות אלגוריתם חישובי אפשר לשחזר מתבניות ההתאבכות את המבנה של עצמים שהאור מוחזר מהם, אבל לא עצמים קטנים עד כדי אות בגודל מילימטר ממרחק של קילומטר. מה שלוקח את הרזולוציה צעד קדימה הוא השימוש בזוג טלסקופים. במובן מסוים הוא שקול לתועלת שאנו מפיקים מראייה בשתי עיניים, שכן ההשוואה ביניהם היא עיקר כוחה של השיטה. שחזור הדמות מתאפשר בזכות פענוח הדמיון וההבדלים בין התבניות שקולט כל אחד מהטלסקופים.

מהניסוי שביצעו החוקרים כדי להראות שהשיטה שלהם מעשית, עלה כי אפשר לשחזר כך עצמים בגודל של מילימטרים ספורים ממרחק של 1,360 מטרים ממכשיר הלייזר. מדובר בהישג לא מבוטל: הרזולוציה שהצליחו להשיג גבוהה פי 14 מגבול היכולת של טלסקופ יחיד. הגבול הזה, שנקרא “גבול הדיפרקציה”, קובע שאור בעל אורך גל מסוים לא מאפשר להבחין בין שני עצמים שהמרחק ביניהם אינו עולה על מחצית מאורך הגל שבו מדובר. 

לדוגמה, במקרה של לייזר בתחום התת-אדום, שאורכו כ-850 ננומטר, גבול הדיפרקציה של טלסקופ יחיד מאפשר להבחין ממרחק של 1.36 קילומטר בעצמים המרוחקים כ-4.2 סנטימטר זה מזה.  בשילוב שני טלסקופים אפשר לעקוף את המגבלה הזאת. כלומר, אילו המערכת הייתה כוללת את קרני הלייזר וטלסקופ יחיד, ניתן היה לקרוא בבירור אותיות בגודל של 4.2 סנטימטר או יותר, מהמרחק שנבדק בניסוי. הצירוף של שני הטלסקופים כבר מאפשר לקרוא אותיות בגודל של שלושה מילימטרים בלבד.

לצד ההבטחה והוכחת ההיתכנות, בשלב זה סובלת השיטה ממגבלות מהירות, שכן תנודות בתבנית ההתאבכות דורשות צפיה לזמן ממושך בשביל לקלוט מידע מספק לשחזור התמונה, ולכן יצירה של תמונה איכותית דורש זמנים ארוכים יחסית ואיסוף של מאות מדידות בזוויות שונות. כמו כן, במאמר נעשה שימוש במערך של שמונה קרניים, אך החוקרים הראו כי הגדלת מספרם תביא לשיפור משמעותי ברזולוציה. ברוח התקופה, אומרים החוקרים, ייתכן ששימוש באלגוריתמי בינה מלאכותית יוכל לשדרג את המערכת אף יותר ולהקל על הפענוח של צורות קטנות ורחוקות כמו סימני כתב.