Голограммы все чаще появляются вокруг нас. Давно умерший рэпер Тупак Шакур появился в 2012 году на музыкальном фестивале Coachella. HoloLens от Microsoft пытается повторить голодек из «Звездного пути», позволив пользователю взаимодействовать с 3D-объектами в дополненной реальности. Стартапы вроде Holoxica могут создавать трехмерные голограммы человеческих органов с целью медицинской визуализации.
В то время как некоторые из этих световых шоу уже не являются простыми световыми трюками, они пока не дотягивают до голограмм по типу тех, что мы видели в фильмах вроде «Звездных войн». Технологии истинных голограмм пока остаются в области научной фантастики. И вот в начале этого года ученые представили инновации, которые могут продвинуть эту технологию на пару световых лет вперед.
В исследовании, опубликованном в Nature Photonics, группа ученых из Кореи разработала 3D-голографический дисплей, который, по их мнению, работает в 2600 раз лучше, чем любые существующие аналогичные технологии. Между тем ученые из Австралии представили в журнале Optica миниатюрное устройство, которое создает самые качественные голографические изображения на сегодняшний день. Работы были опубликованы с промежутком в три дня в прошлом месяце.
Голография — широкая область науки и техники, но в ее основе лежит фотографический принцип, который записывает свет, рассеянный от объекта. Затем этот свет воспроизводится в 3D-формате. Голографию впервые разработал в 1940-х годах венгеро-британский физик Деннис Гарбор, получивший Нобелевскую премию 1971 года по физике за свое изобретение и разработку голографического метода.
Большинство голограмм представлены статичными изображениями, но ученые работают над более динамичными системами для воспроизводства огромного количества информации, заключенной в 3D-изображении.
Разница в диффузии
Возьмем работу, проделанную учеными Корейского института науки и технологий (KAIST).
Наша способность производить динамические голограммы высокого разрешения — вспомните принцессу Лею, умоляющую Оби-Ван Кеноби помочь джедаям — в настоящее время ограничена модуляторами волнового фронта. Эти устройства, пространственные модуляторы света или цифровые микрозеркальные устройства, могут контролировать направление распространения света.
Система формирования изображений с коротким фокусным расстоянием может создать только крошечное изображение с широким диапазоном просмотра. И наоборот, система с большим фокусным расстоянием может сгенерировать увеличенное изображение с очень узким диапазоном. Лучшая из технологий модулятора волнового фронта смогла создать изображение размером в один сантиметром с углом обзора в три градуса.
Это можно улучшить за счет создания комплексной и громоздкой системы с использованием нескольких пространственных модуляторов света, например. Но команда из KAIST пришла к более простому решению.
«Эту проблему можно решить, просто подключив диффузор», объясняет Йонг Кейн Парк, профессор отделения физики в KAIST. Поскольку диффузор рассеивает свет, размер изображение и угол обзора можно увеличить в несколько тысяч раз. Но есть проблема. Диффузор смазывает свет.
«Чтобы использовать диффузор как «голографическую линзу, нужно тщательно откалибровать оптические характеристики каждого диффузора», говорит Парк. «Для этого мы используем «метод шейпинга волнового фронта», который предоставляет информацию об отношениях между входящим в диффузор светом и выходящим из него».
Команде Парка удалось создать улучшенное трехмерное голографическое изображение с углом обзора 35 градусов в объеме 2 х 2 х 2 сантиметра.
«Улучшение масштаба, разрешения и углов обзора с помощью нашего метода легко масштабируется», отмечает он. «Поскольку его можно применить к любому существующему модулятору волнового фронта, он может существенно улучшить качество изображения даже самого лучшего модулятора, который выйдет на рынок».
Первым делом эта технология может найти применение (когда будет завершена) в проекционных дисплеях для автомобиля или голографических проекций интерфейса смартфона, говорит Парк. «Голограммы принесут нам новый опыт общения с электронными устройствами, и их можно будет реализовать с меньшим количеством пикселей, чем трехмерный голографический дисплей».
Оптика новой эпохи
В то же время физики из Австралийского национального университета представили устройство, состоящее из миллионов крошечных кремниевых столбцов, каждый в 500 раз тоньше человеческого волоса. Этот прозрачный материал способен на сложные манипуляции со светом, пишут они.
«Наша способность структурировать материалы на наноуровне позволяет достичь новых оптических свойств, выходящих за рамки свойств природных материалов», говорит Сергей Крук, соруководитель исследования. «Голограммы, которые мы сделали, демонстрируют значительный потенциал этой технологии для использования в различных приложениях».
Ученые говорят, что их вдохновляли фильмы вроде «Звездных войн». «Мы работаем с теми же физическими принципами, которые когда-то вдохновляли писателей-фантастов», говорит Крук. И добавляет, что этот новый материал однажды может заменить неуклюжие и тяжелые линзы и призмы, которые используются в других применениях.
«С нашим материалом мы можем создать компоненты с той же функциональностью, но легче и меньше. Это открывает совершенно новые применения, начиная с уменьшения камер в обычных смартфонах и заканчивая уменьшением веса и размера сложных оптических систем в космических спутниках».
А теперь совершенно о другом
К слову, об освоении космоса: может ли Вселенная быть голограммой? Что это означает для псевдоголограммы Тупака Шакура? А для остальных живых трехмерных существ?
Физики-теоретики считают, что наблюдали доказательства в поддержку относительно новой теории в космологии, которая утверждает, что известная Вселенная является проекцией двухмерной реальности. Впервые выдвинутая в 1990-х годах гипотеза в своей основе содержит идею, похожую на обычную голограмму, когда трехмерное изображение закодировано в двумерной поверхности.
Сторонники этой теории утверждают, что она может примирить две большие теории в космологии. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет почти все происходящее на крупных масштабах Вселенной. Квантовая физика прекрасно описывает мелкие вещи: атомные и субатомные частицы. Работа на тему голографической Вселенной была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ученые использовали данные, полученные с инструментов, изучающих космический микроволновый фон (CMB). CMB — это послесвечение Большого Взрыва, которому 14 миллиардов лет. Вы можете увидеть CMB в виде белого шума на не настроенном телевизоре.
Исследование показало, что несколько простых теорий квантового поля могут объяснить практически все космологические наблюдения ранней Вселенной. И также эта работа может привести к появлению рабочей теории квантовой гравитации, слияния квантовой механики с эйнштейновской теорией гравитации.
«Ключ к пониманию квантовой гравитации лежит в понимании теории поля в одном нижнем измерении», говорит ведущий автор Ниаеш Афшорди, профессор физики и астрономии в Университете Ватерлоо. «Голография как Розеттский камень, перевод известных теорий квантовых полей без гравитации в неизведанные территории самой квантовой гравитации».
Сложно. Но уже не фантастика.
