Понад 100 років минуло з того часу, коли були вперше сформульовані теоретичні основи голографії, а ми й досі асоціюємо голограми переважно з наклейками на пластинках чи посмертним концертом Тупака Шакура. Проте останніми роками тема голографії почала активно розвиватися. Сьогодні ми розкажемо все про загадкові голографічні зображення.
У 1920 році польський учений Мечислав Вольфке в роботі «Про можливість оптичного зображення молекулярних сіток» (Über die Möglichkeit der optischen Abbildung von Molekulargittern) висунув та експериментально підтвердив ідею голографічного методу отримання зображень. На той час, однак, ще не існувало технології, яка б дозволяла використовувати відкриття поляка на практиці. На це довелося чекати до 60-х років минулого століття.
Голограми набули широкої відомості у 1977 році завдяки фільму Зоряні війни, в якому вони виступали в якості носіїв інформації та засобів комунікації. Таким чином дуже складна наукова теорія проникла у поп-культуру, захопивши уяву мільйонів людей в усьому світі. Чи близькі ми сьогодні до бачення теми голографії Джорджом Лукасом?
Читайте також: Космічний телескоп Джеймса Вебба: 10 цілей для спостереження
Що таке голографія?
“Допоможи мені, Обі-Ван Кенобі! Ти моя єдина надія!” Цей відомий усім фанатам “Зоряних воєн” текст, вимовлений об’ємною проекцією принцеси Леї, став для багатьох глядачів першим уявленням про те, що таке голографія та голографічне зображення.
Сьогодні, коли ми тримаємо в руці диск із записами улюбленої групи, то бачимо на ньому барвисту наклейку, що переливається різними кольорами веселки. Це голографічне підтвердження автентичності та легальності диска. Отже, це теж голограма, але як вона створюється і для чого використовується? Спробую відповісти на ці питання якомога доступніше. Однак, очевидно, це не буде легким і простим завданням, головним чином через необхідність визначення та пояснення деяких фізичних понять, хоча більшість з них повинні бути відомими вам ще з уроків фізики. Це необхідно тому, що кінцевий ефект є результатом практичного використання досягнень з різних галузей техніки. Тому неправильне розуміння теоретичних основ може призвести до неправильного розуміння всієї проблеми. Однак, я не маю наміру обтяжувати цю статтю теоріями, підкріпленими рівняннями Максвелла. Міг би, але для чого? Це не додало б нічого нового і, безсумнівно, ускладнило б розуміння. Я постараюся доступно пояснити принципи запису та відтворення голографічних зображень, використовуючи зрозумілі малюнки та визначення основних фізичних понять у галузі оптики та хвильового руху. А також розкажу про практичне застосування голографії, в тому числі про голографічний запис інформації в комп’ютерних технологіях.
Почнемо з визначення, яке трохи полегшить нам справу. Голографія, як і фотографія, що відома людству ще з 19 століття, є способом одержання зображень. Ці обидва терміни походять з грецької мови, однак, якщо слово фотографія походить від слів “photo” і “graphe”, що означають «світло» і «малюнок», то перша частина слова голографія походить від «holos», що грецькою мовою означає “цілий”.
Отже, голографія — це “малювання цілого”. Що це означає? У стандартній фотографії ми можемо зберегти лише двовимірне зображення того, що бачимо у тривимірному світі. Ідея голографії полягає в тому, щоб записати інформацію про весь даний об’єкт, а не лише про одну його сторону. Щоб можна було, використовуючи записану інформацію, відтворити образ цілого об’єкта.
Але як зберегти зовнішній вигляд тривимірного об’єкта? Для цього використовується явище світлової інтерференції. Видиме світло, яке є частиною електромагнітного спектру, саме по собі складається з двох компонентів – електричного поля і магнітного поля. Але найголовніше те, що світло — це хвиля, а не просто потік фотонів, тому накладення кількох хвиль може створювати нові хвилі з новими характеристиками. Потім, використовуючи явище дифракції, зображення з накладеними одну на одну хвилями можна відтворити так, щоб воно відображало записані характеристики.
Читайте також:
- Спостереження за Червоною планетою: Історія марсіанських ілюзій
- Телепортація з наукової точки зору та її майбутнє
Запис і відображення голограми
Завдяки хвильовій природі світла можна зафіксувати вигляд об’єкта у трьох вимірах на стандартній фотоплівці. За допомогою відповідного лазера, один промінь якого спрямований на напівпрозору пластину і направляється як на об’єкт, зображення якого потрібно одержати, так і безпосередньо на плівку, створюється візерунок хвиль, що перекриваються. Таке зображення являє собою суперпозицію великої кількості інтерференцій окремих спектральних компонентів світла, і якби ми захотіли з такої плівки отримати “фотографію”, наші очі побачили б не освітлений лазером об’єкт, а меланж з інтерференційних ліній, які самі по собі нічого не говорять нам про сфотографований об’єкт.
Ось як це виглядає на практиці:
Тільки правильне експонування плівки, яка на той момент є дифракційною решіткою, за допомогою сфокусованого лазерного променю дозволяє повернути весь процес назад і отримати тривимірне зображення об’єкта.
Об’ємне голографічне зображення, хоча і подібне, але відрізняється від стереоскопічної техніки, яка передбачає фотографування об’єкта з двох великих планів, а потім розміщення пластинок у приладі, який називається стереоскопом. Наприклад, популярні VR-окуляри працюють таким чином, створюючи два трохи зміщених зображення. У голограм цей зсув фіксується на одному середовищі у вигляді хвильової інтерференції.
Читайте також:
- 100 років квантовій фізиці: Від теорій 1920 років до комп’ютерів
- 5 майбутніх космічних місій, про які варто замислитись
Голограма і “голограма”
Проблема з технологією, описаною вище, полягає в тому, що вона вимагає точного лазерного світла та майже лабораторних умов для того, щоб отримати задовільний ефект. І хоча оригінальна ідея голограм знайшла практичне застосування, наприклад, у запису даних на носії стандарту HVD з теоретичною ємністю до кількох ТБ, однак популярним носієм для домашнього використання вони не стали.
Практичні рішення показують, що складний процес отримання голографічного зображення просто програє іншим технологіям, які досягають подібного ж ефекту, але з використанням інших технік. І хоча з наукової точки зору такі зображення не повинні називатися голограмами, всі ці псевдоголограми прийнято називати просто «голограмою».
На практиці, однак, ані зображення на концерті Тупака, ані зображення королеви Єлизавети II у її 260-річній кареті, не є справжніми голограмами з наукової точки зору.
Голограма – це не те, що ми бачимо в окулярах HoloLens або на лобовому склі автомобіля з “голографічним дисплеєм”. Найчастіше це тривимірне зображення, створене за допомогою кількох окремих (а не одного, як у випадку з оригінальною голограмою) світлових променів, що падають з різних боків на носій, яким може бути прозоре скло, водяна завіса, або водяна пара, що “плаває” над таким «голографічним дисплеєм».
У мене немає великих заперечень проти використання терміну “голограма” по відношенню до цих технік, і головна причина полягає в тому, що ефект, отриманий таким чином, дуже часто відповідає основним властивостям голографії, а саме збереження та відтворення більшої кількості інформація (в даному випадку йдеться про огляд об’єкта з різних ракурсів) про об’єкт.
Також цікаво:
Сьогоднішні “голограми”
Системи на основі проекторів, які відображають зображення на різних прозорих матеріалах, працюють дещо інакше. Світло, спрямоване з різних кутів, містить інформацію про зображення, побачене з іншого боку. Промені зустрічатимуться на поверхні скла, води або, як у випадку із забутим польським винаходом Leia Display, парової завіси, створюючи враження появи тривимірного зображення в повітрі (неперевершена перевага справжньої голограми).
Іншим прикладом є тривимірні екрани від компанії Looking. Саме ті, які проектують зображення не на двовимірну поверхню, а створюють його всередині тривимірного тіла, наприклад, скла. Компанія, зокрема, роками працювала над рішенням Looking Glass Factory, і ми змогли помилуватися першими серйозними результатами цієї роботи у 2020 році.
Також можна згадати про німецький цирк Ронкаллі, який відмовився від номерів з тваринами, хоча в Німеччині, до речі, на відміну від багатьох європейських країн, цирк з тваринами не заборонений. Тепер слони, коні та риби з’являються на арені у вигляді голограм.
Система, що дозволяє глядачам бачити голограми, коштувала більш ніж півмільйона євро.
Також цікаво:
- 10 найдивніших речей, які ми дізналися про чорні діри у 2021
- Тераформування Марса: чи може Червона планета перетворитися на нову Землю?
Люди не усвідомлюють, що живуть у голограмі?
Звичайно, не обійшлось без людей, що підтримують ідеї всесвітньої змови. Вони вважають, що ми з вами давно живемо в одній великій голограмі, що світ навколо нас це голограма, Матриця. Спробую зараз все пояснити.
Коли з’явився фільм “Матриця”, всі були дуже здивовані ідеєю сценарію, яка виникла у братів Вачовскі. Однак ідея, що лежить в основі історії Матриці, присутня і в східних філософіях. Деякі квантові фізики давно визнали, що те, що наука описує мовою математики, було відоме протягом століть у формі релігійних послань. Тобто, якщо вірити цій теорії, то ми живемо у великій голограмі.
Вони стверджують, що людство стало настільки заклопотаним, що не в змозі помічати деякі речі. Ми спостерігаємо за світом і беремо участь у його створенні, дуже часто не усвідомлюючи можливості вплинути на те, що з нами відбувається. Фізики шукають підтвердження існуванню поля Гіґґза, повного характерних бозонів, які називаються божественною частинкою, але ми розглядаємо інформацію про такі пошуки ізольовано від наслідків, які спричинить відкриття такого механізму.
Може виявитися, що підтвердження існування бозонів Гіґґза змусить нас поставити собі важливі питання про сутність світу і про те, як він створений. Раптом, може виявитися, що концепції Матриці не такі вже й фантастичні, і всі ми насправді живемо у великій голограмі, і ми самі теж є голограмами.
Такі висновки можна зробити з інформації, отриманої завдяки розвитку квантової фізики. Ми точно знаємо, що основним правилом, яке визначає те, що станеться, є ймовірність. Ми також знаємо, що деякі фізичні експерименти просто неможливі, тому що сам факт спостереження їх ефектів визначає те, що в них відбувається. Ейнштейн, усвідомлюючи наслідки такого мислення, сказав, що світ не може залежати від Бога, який грає в кості.
Що, якщо ми насправді живемо у великій голограмі, і наша взаємодія з нею, вираження наших очікувань і страхів взаємодіють з нею, змушуючи нас стикатися з різними речами? Є деякі методи впливу на те, що з нами відбувається, які називаються позитивними. Кожен, хто пробував їх, знає, що це працює, і головним чином тому, що ми знаємо, що це має працювати. Те саме з різними альтернативними методами лікування. Вони засновані на нашій здатності контролювати голограму шляхом усунення негативних думок, тобто через віру.
Наука шукає відповідь на питання, чому існує маса, якщо матерія складається з частинок, які фактично порожні. Однак для нас, людей, усе ще здається, що світ навколо нас цілком реальний, і ми навіть не підозрюємо, що якби ми зрозуміли свої можливості, кожен міг би бути схожим на Нео зі згаданої «Матриці», або на Будду, який міг зрушити гори силою своєї думки.
Простими словами, ми вже в Матриці і ми всі голограми, від яких нічого не залежить. Хочеться тільки посміхнутись від таких уявлень про наш світ.
Також цікаво: Про квантові комп’ютери простими словами
У кожного буде своя голограма?
Але ж ми все-таки повернемось до реальності. Майбутнє, безумовно, за 3D-рендерінгом. Втім, певно, що мине ще довгий шлях, перш ніж на вулицях з’являться справжні голограми, як у фільмі “Той, що біжить по лезу”. До того часу у нас буде багато “імітаційних голограм” і демонстрацій технологій, які дедалі більше будуть вводити в оману наші відчуття, і створювати враження, що ми дивимося на справжні тривимірні об’єкти.
Так Google поставила перед розробниками саме таку мету. Відомо, що вони працюють над цікавим Project Starline, тобто “голографічною” кабінкою для розмов. Деякі результати своєї роботи вони вже показали.
Співробітники Google за допомогою серії камер і датчиків створили точні 3D-моделі людей, які розмовляють один з одним, створюючи враження, що вони знаходяться в одному місці. Наразі це рішення випробувано в офісах компанії.
Деякі вчені вважають, що ми вже за крок від появи технології голограм у засобах повсякденного спілкування між людьми. Для цього необхідно буде побудувати іншу інфраструктуру для зв’язку наступного покоління – волоконно-оптичну мережу, що з’єднує континенти, та інфраструктуру бездротового зв’язку шостого покоління 6G. Такою діяльністю займається вже багато технологічних компаній. Можливо, через декілька років голограми стануть частиною повсякденного життя, але я сподіваюся, що вони не замінять реального спілкування між людьми.
Деякі вчені також зазначають, що голограми вже можна використовувати, оскільки вже є відповідні технології, але на даному етапі це настільки дорого, що не зовсім вигідно. Ситуація дуже схожа на те, як розвивався Інтернет. На початковому рівні в нього майже ніхто не вірив, а зараз неможливо уявити сьогодення без його існування.
Отже, є багато ознак того, що за кілька років ми зможемо мати свої власні голограми, щоб відвідувати наших друзів, не виходячи з дому. Однак слід мати на увазі, що прогнози вчених щодо потрібних технологій не завжди справджуються.
Ви можете допомогти Україні боротися з російськими окупантами. Найкращий спосіб зробити це – пожертвувати кошти Збройним Силам України через Savelife або через офіційну сторінку НБУ.
Підписуйтесь на наші сторінки в Twitter та Facebook.
Також цікаво: