라메쉬 라스카르: 1초당 1조개의 영상 만들기

라메쉬 라스카르가 펨토-영상기법에 대하여 강의한다. 새로운 형태의 이미징 기술인 이 방법으로 세상을 1조분의 1초 시간으로 볼 수 있는데, 그 결과 빛 자체의 움직임도 볼 수 있다. 언젠가 이 기술은 벽을 돌아서 있는 물체를 볼 수도 있고 X-레이 없이도 몸안을 들여다 볼 수 있게 해줄 것이다.

닥 에저톤 선생께서 총알이 사과를 뚫고 지나가는
이 사진으로

경외감과 호기심으로 가득찬 영감을 불어넣어 주셨죠.

겨우 1백만분의 1초 간의 노출입니다.

50년이 지난 오늘날 우리는 백만배는 더 빨리 할 수 있고

백만분의 1초는 커녕

10억분의 1초도 아닌

초당 1조개의 화면을 볼 수 있습니다.

제가 여러분께 새로운 형태의
사진을 보여드리려고 하는데요

펨토(femto) 사진입니다.
*femto: 1000조분의 1, 즉 1/10^-15

새로운 이미징 기술인데 매우 빨라서

빛이 움직이는 순간을
느린 그림으로 만들 수도 있습니다.

이런 사진으로, 시선 너머의

사방을 둘러보는

카메라를 만들 수도 있고

X-선을 사용하지 않고도
우리 몸 안을 들여다 볼 수도 있습니다.

그리고 카메라라고 하는 것에 정말로 도전해 볼 수 있죠.

레이저 지시봉을 1조분의 1초 간격으로

깜빡여 보죠...

그 간격이 몇 펨토초 인데요...

제가 겨우 밀리미터 정도의 폭을 가진

광자 덩어리를 만들어 보겠습니다.

그 정도의 광자 덩어리는, 총알이죠,

빛의 속도로 나아갑니다.

그것은 실제 총알보다 백만배는 빠릅니다.

이제 그 총알과 이 광자 덩어리를 가지고

이 병에다 쏘아보면

광자 덩어리가 병에 부딪히면서 어떻게 부서질까요?

느린 그림으로 보면 빛은 어떻게 보일까요?

이 광경은 --

(박수)

이 전체 광경은

1 나노초도 되지 않는 시간에 일어납니다.
*1 나노초(10억분의 1초)

-- 그건 빛이 이동하는데 걸리는 정도의 시간이죠 --

제가 이 비디오를 100억배 쯤 느리게 해보겠습니다.

그러면 빛의 움직임을 보실 수 있을겁니다.

그런데 코카콜라 회사에서
이 연구를 지원하지는 않았습니다.(웃음)

자, 이 비디오에는 많은 일들이 일어나고 있는데요,

부분 부분으로 나누어서
무슨 일이 일어나고 있는지 보여드리죠.

펄스가 병으로 들어갑니다, 총알과 같죠.

광자 덩어리인 이 펄스는 병안에서 움직이다가

그 안에서 퍼져나갑니다.

그 중 일부는 밖으로 새어나가 탁자위로 흩어지기도 하죠.

여러분들은 여기 물결과 같은 파동을 보실 수 있습니다.

광자들 중 상당수는 결국 여기 뚜껑에 도달하고

그리고는 여러 방향으로 폭발하듯 퍼져나갑니다.

보시는 바와 같이, 여기 공기 방울이 있죠.

광자는 그 주변에서 튀어오릅니다.

그와 동시에, 파동은 탁자위를 퍼져나가고

이 위쪽에서 반사되어

여기 병 뒤쪽으로 보이시죠, 몇 장면이 지나면

그 반사과정에 촛점이 맞춰집니다.

실제 총알을 가지고

일정거리를 날아가게 한 후, 느린 그림으로 보면

100억분의 1 배로 느리게 보는거죠,

그럼, 이 광경을 보기 위해서
얼마나 기다려야 하는지 아시겠어요?

하루? 1주일? 사실 꼬박 1년 걸립니다.

굉장히 지루한 비디오죠 --(웃음)--

실제 총알의 느린 그림이면 말이죠.

정지 화면 사진은 어떨까요?

여러분은 탁자위의 파동을 다시 보시겠는데요,

뒤쪽으로 토마토와 벽이 보이죠.

이건 마치 연못에 돌을 던지는 것과 같아요.

제 생각에는, 이것이 곧
자연이 사진을 만들어내는 방식입니다.

한번에 1펨토짜리 장면을 찍는거죠

물론 우리 눈은 이런 것들이 집약된
총체적인 장면을 봅니다.

그런데 여기 토마토을 한번 더 보시면

빛이 토마토를 지나는 순간,

계속해서 빛이 납니다. 어두워지는 순간이 없다는 걸
아실거에요.

왜 그럴까요? 사실 토마토는 잘 익은거고

빛은 토마토의 내부에서 튀면서 돌아다니다가

1조분의 몇초쯤 지난 후 밖으로 나옵니다.

몇 년후에

펨토-카메라가 휴대전화에 장착되면

여러분들은 수퍼마켓에 가서

과일을 만져보지도 않고
잘 익은건지 판단하실 수 있을지도 모릅니다.

그러면, MIT의 우리팀은 이 카메라를 어떻게 만들었을까요?

사진가라면 아시겠지만

노출을 짧게하면 빛을 적게 받습니다.

하지만, 짧은 노출보다도 수십억배

빠르게 하면,

빛을 거의 담지 못하죠.

그래서 우리가 총알을 쓴겁니다.

그 광자 덩어리를 수백만번 쏘면서

매우 영리한 방법으로 동기화하여 기록한 것입니다.

기가바이트 정도의 자료를 가지고

제가 보여드린 펨토-비디오를 만들어내려고

계속해서 자료를 짜맞춰 낸겁니다.

그 초기 자료를 가지고

아주 재미있는 방식으로 처리해 볼 수 있는데요.

그렇게해서, 수퍼맨이 날아다니고

어떤 주인공들은 투명이 되기도 합니다.

그러면, 미래에 나타날 영웅은 어떨까요:

벽을 돌아서도 볼 수 있을까요?

문에 빛을 쏘아보자는게 아이디어입니다.

그러면, 빛이 튀어나가 방으로 들어가죠.

그 중 일부는 문에서 반사되어 나와

카메라에 잡힙니다.

그러니까, 저희는 이렇게 잡힌 빛의
조각을 이용하는 겁니다.

공상 과학 소설이 아닙니다.
우리가 실제로 만들었거든요.

왼쪽에, 우리가 만든 펨토카메라가 있습니다.

벽 뒤에는 마네킹이 숨겨져 있어요.

이제 우리가 문에다가 빛을 쏘아 산란시켜 보겠습니다.

저희 논문이 네이쳐 커뮤니케이션에

발표되고 나서

nature.com 에도 소개되었고

사람들이 이런 동영상도 만들었어요.

(음악)

저희는 아까 그런 빛의 총을 쏴서

이 벽을 맞히려고 했죠.

왜냐하면 빛은 광자덩어리니까

모든 방향으로 튀어나가거든요.

그러면, 그 중 일부는 여기 숨겨진 마네킹에도 도달할 것이고

거기서 다시 사방으로 퍼져나가면

이번에는 다시, 그 문에 반사되어

퍼진 일부가

극히 미량일지라도 카메라에 되돌아 오게 됩니다.

제일 흥미로운 점은

광자들이 아주 미세한 시간차를 두고 돌아 온다는 것이죠.

(음악)

펨토카메라는 엄청나게 빠른 속도로 감지하게 때문에

아주 특수한 기능이 있어요.

상당한 시간의 정확도를 가졌고 있어서

빛의 속도로 세상을 감지하지요.

이런 방법으로, 우리는 거리, 그러니까
물론, 문까지의 거리 뿐 아니라

숨겨진 물체까지의 거리를 알 수 있습니다.

하지만 어떤 점이 어떤 거리를 나타내는지는

잘 모르죠.

(음악)

레이져를 한줄기 쏴서, 원시 자료를 기록합니다.

화면에 보시는건데요,
특별한 의미는 없어 보이죠.

그런데, 저런 사진을 여러게 찍어서

아마 수십장은 될텐데, 이 사진을 함께 놓습니다.

그리고는 빛이 여러 각도로 산란 하는 것을 하나씩 분석하죠.

이런 작업으로부터, 숨겨진 물체를 볼 수 있다니요?

완전한 3차원 영상을 볼 수 있답니다.

이것이 우리가 만들어 낸 영상입니다. (음악)

(음악)

(음악) (박수)

자.. 이제, 우리가 이런 것을 찍기 전에 실제 세상에서는

해야 할 것들이 좀 남아있습니다.
그렇지만, 훗날

우리는 굽은 길 뒤를 볼 수 있으니까

절대 충돌하지 않는 차를 만들 수 있을겁니다.

아니면, 재해 지역에서 열린 창문으로 비친 빛을 통해

생존자를 찾아낼 수도 있어요.

혹은, 우리 몸안의 방해물 너머를 볼 수 있는

내시경이나 심장경 같은 것도

만들어 낼 수 있어요.

물론, 조직이나 혈액 문제로 인해서

그건 대단한 도전이 될 것입니다.. 그러니까 이건 정말

과학자들이 펨토사진에 대해서

체내 영상화 문제를 해결하는 차세대 영상화 기법으로

받아들일 수 있는 경종과도 같습니다.

닥 에저톤 교수처럼, 그 분은 과학자셨어요,

과학은 예술, 그러니까
극단적으로 빠른 속도의 사진으로 된 예술이 된거죠

그리고 제가 알게 된 점은 매번 얻게되는

수 기가바이트 크기의 원시 자료는

꼭 과학적 이미징만을 위한 게 아니라

새로운 형태의 시간 차와 색깔 정보를 가진

새로운 형태의 계산 사진 분야에도 쓸 수 있습니다.

저 물결같은 파동을 보세요.

이 파동들 사이의 시간은 겨우 수조 분의 1초쯤

이라는 점을 잊지 마세요.

사실은 여기에 또 재미있는게 있는데요.

여기 뚜껑 아래쪽의 파동을 보시면

이 파동은 점점 멀어지거든요,

원래는 이 파동들이 우리 쪽으로 가까워져애야 하는데

어떻게 된걸까요?

밝혀진 바로는

우리가 거의 빛이 속도로 기록하기 때문에

이상한 현상이 일어난다는 겁니다.

이 사진을 아인슈타인이 봤으면 무척 좋아햇을텐데요.

실제 세상에서 일어나는 현상의 순서가

카메라에는 때로 거꾸로된 순서로 나타난다는 섭니다.

그러니까, 여기에 제대로 된 시공 보정을 하면

그런 문제점을 해결할 수 있습니다.

모서리를 돌아서 찍는 사진이든

차세대 체내 영상화 기법,

혹은 새로운 시각화 방안이든 간에,

우리가 이걸 만든 후에, 저희는 모든 자료와 자세한 내용을

웹사이트에 공개했습니다. 저희가 바라는 것은 DIY에요,

창의적인 연구 단체들이
*DIY: Do iy yourself.

우리가 카메라 속 수백만 화소의
명료함에만 매료되지 않을 수도

있다는 것을 보여주기 바랍니다. -- (웃음) --

그리고 고차원의 이미징 기술에 집중하길 바랍니다.

시간이 다 되었죠. 감사합니다. (박수)

(박수)