Электронная томография позволяет визуализировать трехмерную структуру различных микро- и нанообъектов, таких как элементарная ячейка кристаллического вещества, биологическая клетка или вирус. Ученые из Калифорнийского технологического института создали электронную 4D-томографию, сумев интегрировать в обычную электронную томографию четвертое измерение — время. С ее помощью можно отслеживать пространственно-временные характеристики структуры изучаемого объекта с нанометрово-фемтосекундным разрешением.

Часто при изучении какого-либо объекта желательно не только получить изображение его структуры на атомарном уровне, но и проследить в этом масштабе за тем, как внутреннее строение объекта меняется со временем. С первой задачей техническая оснащенность научных лабораторий позволяет справляться относительно легко. Основное «оружие» исследователей — рентгеновский и просвечивающий электронный микроскоп. Изучаемый объект облучают либо рентгеном, либо электронами таким образом, чтобы получить на экране контрастное и четкое дифракционное изображение. После этого специальными математическими методами обрабатывают значения интенсивности рассеянного излучения на экране и по ним визуализируют внутреннее строение образца с той стороны, с которой его облучали. Если же вращать предмет или основание (подложку), на котором он находится, перед рентгеновским или просвечивающим электронным микроскопом, то можно получить его трехмерное изображение (рис. 1); см.: Получено трехмерное изображение человеческой хромосомы («Элементы», 31.01.2009).

Электронная томография зародилась в конце 60-х годов прошлого века и долгое время из-за медлительности компьютеров, обсчитывающих значения интенсивностей, была весьма трудоемким процессом. С появлением мощных и быстродействующих вычислительных машин стало возможно практически моментально реконструировать из данных по дифракции трехмерный вид исследуемого образца (рис. 2).

Решить вторую задачу — то есть встроить в электронную томографию четвертое измерение (время) и получать не просто трехмерные статические изображения тел в микро- и наномасштабе, но и их динамику — долго не удавалось.Во-первых, для получения видео требуется обработать огромное количество данных.

Предположим, что в некий момент времени t₀ происходит накопление определенного количества двумерных снимков объекта — его проекций на экран для разных углов обзора. Затем из них формируется 3D-картинка. После этого происходит повторение данной процедуры для следующего момента времени t₀ + δt. Потом для t₀ + 2δt и так далее, пока не накопится желаемое количество трехмерных изображений, из которых потом, используя стробоскопический эффект, можно смонтировать «фильм». Следовательно, для получения видео требуются немалые вычислительные ресурсы.