Nadzieję na trójwymiarowe projekcje dawała holografia, która jest metodą rejestracji i odtwarzania pełnej informacji, jaką ma i niesie światło. Aby dobrze zrozumieć konsekwencje powyższej definicji, musimy przypomnieć sobie pewne podstawowe wiadomości z podręczników do fizyki.

Foton i fala

Przez wiele wieków trwały spory między filozofami i innymi uczonymi na temat tego, czym jest światło. Dopiero na początku XX stulecia fizykom udało się udowodnić, że światło ma podwójną naturę. Jest jednocześnie cząstką – fotonem – i falą.

Fala, obok prędkości rozchodzenia i amplitudy, ma także fazę. Jeżeli strumień światła porównamy do pochodu ludzi idących ulicą, to choć wszyscy poruszają się z tą samą prędkością, to każdy z nich jest w innej fazie ruchu. Inaczej będzie, jeżeli zamiast pochodu zaczniemy obserwować wojskową defiladę. Wówczas zobaczymy, że faza ruchu żołnierzy jest jednakowa. Jednobarwne światło składające się z fal zgodnych w fazie – a przez to trochę przypominające idących żołnierzy – nosi w fizyce nazwę „światła spójnego”. Jest ono niezbędne do uzyskania i odczytania hologramu.

Sama nazwa „holografia” pochodzi od greckich słów: holos, co znaczy całość i grapho – piszę, czyli: pełny zapis. Konwencjonalna fotografia ogranicza się do rejestracji natężenia światła i jego barwy. Holografia zapisuje coś więcej. Jest to właśnie informacja o fazie światła odbitego od przedmiotu. Dzięki temu możemy odtwarzać obraz w trzech wymiarach.

W latach 1948-51 pracujący w Wielkiej Brytanii węgierski fizyk Dennis Gabor sformułował podstawy holografii. Otrzymał za to Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1971 r. Źródło światła spójnego zostało wynalezione na początku lat 60. XX wieku. Jest to laser. Dopiero wówczas holografia stała się w pełni realna i szybko zaczęła się rozwijać.

Trójwymiarowy obraz

Jak powstaje hologram? Posłużmy się znowu przykładem. Na lustrzaną taflę jeziora spuszczamy z pomostu jednocześnie dwa kamienie. Każdy z nich stanie się źródłem fali o kształcie kół rozchodzących się po powierzchni wody. Fale te nakładają się na siebie, wzmacniają w jednych miejscach, a wygaszają w innych. Zależy to od fazy, w której w danym punkcie się znajdują. W wyniku nałożenia utworzą mozaikowy układ wodnych linii.

Teraz wyobraźmy sobie, że chcemy sporządzić hologram konika szachowego. Za pomocą odpowiedniego układu zwierciadeł promień lasera dzielimy na dwie części. Pierwszą z nich kierujemy na konika. Każdy foton to najmniejsza cząstka światła; zderzając się z powierzchnią konika, staje się źródłem fali kulistej, podobnie jak kamień rzucony na powierzchnię wody. Druga wiązka światła nie ma kontaktu z konikiem, lecz jest kierowana bezpośrednio na kliszę. W każdym punkcie kliszy nastąpi nałożenie się fal świetlnych obu wiązek. W zależności od fazy fali nastąpi ich wygaszenie bądź wzmocnienie. Otrzymamy na niej układ ciemnych i jasnych prążków. Są one rozmyte i postrzępione, ale to jest właśnie hologram.

Trudno dopatrzeć się w nim podobieństwa do naszego konika. Hologram należy odczytać, oświetlając go taką samą wiązką światła laserowego, jaka była użyta przy jego otrzymaniu. Podczas przechodzenia przez hologram w drodze tych samych procesów nakładania fal świetlnych następuje pełne odtworzenie fali odbitej od przedmiotu, tj. naszego konika. Patrząc przez hologram, zobaczymy go w trzech wymiarach, tak jakby stał na szachownicy.

W latach 70. ubiegłego wieku holografia i możliwości jej zastosowania w wielu dziedzinach nauki i techniki wzbudziły ogromne zainteresowanie, ale też jeszcze większe oczekiwania. Trójwymiarowe obrazy holograficzne ekscytowały i wprawiały w zachwyt. Poszukiwano coraz nowszych rodzajów i zastosowań holografii.

Szczęki... 19

Jedną z najczęściej pokazywanych na filmowych kanałach telewizyjnych jest trylogia Powrót do przyszłości. W jednym z wątków młody bohater podróżujący wehikułem czasu przenosi się do odległego dla siebie roku 2015. Wychodzi na rynek swojego miasteczka, gdzieś w USA. Jest tam kino holograficzne. Nagle z dachu budynku kina wysuwa się olbrzymi rekin i atakuje całkowicie zaskoczonego przybysza z przeszłości. Po chwili okazuje się, że to holograficzna reklama kolejnej już – dziewiętnastej – części thrillera Szczęki. Takie były kiedyś wyobrażenia o możliwościach tej technologii.

Utworzenie holograficznego kina, realne na poziomie praw fizyki, okazało się jednak bardzo trudne do realizacji na poziomie inżynierskim. Do dzisiaj ono nie istnieje, lecz projekt ten nie został całkowicie zarzucony. Również hologram nie jest obecnie konkurencją dla fotografii. Podobnie stało się z planami realizacji holografii kolorowej, która do tej pory nie wyszła poza fazę eksperymentów. Już w końcu lat 80. XX wieku pojawiły się opinie, że holografia – jako metoda zapisu obrazu – zawiodła pokładane w niej nadzieje. Jednocześnie wchodziły na rynek telewizory o plazmowych i ciekłokrystalicznych ekranach (LCD). Spowodowało to odpływ środków kierowanych na rozwój holografii dla potrzeb mediów.

Przeciw fałszerstwu

O holografii nie zapomniano jednak całkowicie. Jej rozwój i zastosowanie poszły w zupełnie innym kierunku. Fizycy i technolodzy opracowali nowe metody zapisu i odczytu oparte na wzajemnym oddziaływaniu fal. Poszukiwano również nowych materiałów światłoczułych.

W rezultacie powstało kilkadziesiąt innowacyjnych produktów wpisanych w istniejącą już nazwę hologramu, lecz nie mają one z nim wiele wspólnego. Najbardziej znany, wynaleziony przez Stefana Bentona, nosi nazwę „hologram tęczowy”. Nie wymaga on do odtworzenia światła spójnego, wystarczy to słoneczne, i daje barwny obraz. Co prawda kolor zrekonstruowanego przedmiotu nie przypomina oryginału, jednak obraz jest czytelny i ciekawy. Takie hologramy znajdują się np. na wielu banknotach nominowanych w złotówkach i euro, a służą do zapobiegania ich fałszerstwu. Obecnie powstają też hologramy artystyczne, unikalne i będące dziełem współczesnych artystów, a także tworzone przez komputery, gdzie program modeluje znane z fizyki procesy ruchu falowego.

Wehikuł czasu

Byłoby pięknie przenieść się wehikułem czasu w przyszłość, aby zobaczyć, czy spełnią się nadzieje współczesnej nauki i technologii. Dowiedzieć się, czy komórki macierzyste okażą się skuteczne w leczeniu, czy komputer kwantowy wyjdzie z laboratorium i stanie się naprawdę użyteczny, czy kolejne wersje teleskopu Jamesa Webba i wielkiego zderzacza hadronów ze szwajcarskiego CERN zrewolucjonizują naszą wiedzę. Może także holografia wyjdzie z niszowych zastosowań, przeżyje drugą młodość i zaprosi widzów do trójwymiarowego kina, a przestrzenny obraz prześle na ekrany domowych telewizorów oraz do sieci internetowej?

Autor jest byłym pracownikiem naukowym Instytutu Badań Jądrowych w Świerku.