Голография: общая характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Голография: общая характеристика

Введение

Голография - одно из наиболее перспективных направлений визуализации трёхмерных объектов. В современном, быстро развивающемся мире всё чаще человеку нужно отобразить объект в трёх измерениях для более лёгкого понимания информации, объём которой постоянно растёт. Будь то авиадиспетчер, врач или антрополог - всем поможет голография. Трёхмерное изображение воздушного пространства в реальном времени упростит задачу авиадиспетчеру, поможет врачу без операций и облучения пациента осмотреть внутренности и поставить диагноз, упростит антропологу восстановление внешности по черепу. Множество применений голографии делает её развитие очень важным для прогресса.

В работе голография будет рассмотрена именно с точки зрения её важности и о большом количестве её применений в различных областях науки и техники

В представленной работе рассказано о голографии и её основных принципах. Реферат состоит из трёх частей.

В первой части будет рассказано о физическом смысле голографии и способах получения голограмм. В этой главе содержатся основные знания о голографии, без которых невозможно понять дальнейшее повествование.

Вторая глава посвящена различным видам голограмм, преимуществ и недостатков каждого вида.

В третьей главе, будут рассмотрена другая, более современная теория голографии. Она рассматривает голографию со стороны термодинамики и связана с устройством Вселенной.

Представленная работа рассчитана на читателей без специальной подготовки, но с базовыми знаниями физики. Будет полезна и интересна людям, увлекающимся или изучающим голографию.

В реферате использована информация из книги В. С. Фролова зеркало (Современные методы и средства голографии) и из статьи из журнала Scientific American “ Information in holographic Universe” (Информация в голографической Вселенной).

1. Общая информация о голографии

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Она сродни фотографии, но позволяет получить объёмное изображение предмета. Свет имеет две важные характеристики: амплитуда и фаза. Фотография запечатлевает только амплитуду или интенсивность света, т.е. лишь половину информации о предмете. А сведения об объёмности тела даёт именно фаза.

Основными процессами голографии являются интерференция и дифракция - наложение и разложение световых волн соответственно. Волна -- изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени. Из-за фазы волн (фаза ? состояние волны в данной точке и в данный момент времени) свет может либо усилиться (когда фазы волн совпали) либо угаснуть (когда фазы не совпали). Если осветить кубик источником света с примерно постоянными характеристиками (фаза волн, частота, длина волны) на фоне светочувствительной пластинки, мы получим интерференционную картину - последовательность чёрных и белых полос. Это происходит из-за наложения света от источника (опорной волны) и света, отражённого предметом (объектная волна). Чёрные полосы появились при совпадении фаз опорной и объектной волн, т.е. при усилении света, а белые - при несовпадении фаз, угасании света. После проявления пластинки нужно осветить её тем же источником света, но уже с другой стороны. Интерференционная картина является записью и амплитуды (для электромагнитных волн, таких как свет, амплитуда соответствует величине электрического поля. Амплитуда отвечает за интенсивность света.), и фазы световой волны, испускаемой телом, и при освещении с другой стороны становится дифракционной решёткой (т.е. позволяет разложить световую волну на составляющие части), и мы видим трёхмерное мнимое изображение (оптическое изображение предмета, создаваемое расходящимся пучком лучей, прошедшим оптическую систему, если мысленно продолжить их в обратном направлении до пересечения) кубика(см. рис1).

Рис 1. Упрощённая схема голографирования

На рисунке 1 из книги Фролов В.С. 'Волшебное зеркало (Современные методы и средства голографии)' показана упрощённая схема голографии.

Голограмма обладает одним удивительным свойством - каждый её участок содержит информацию обо всей голограмме. Голограмму можно разбить или разрезать на несколько кусков, и каждый из них будет давать полное, изначальное изображение. В этом смысле голограмму можно сравнить с зеркалом. Если мы разобьём зеркало, то каждый осколок всё ещё будет способен отразить предмет, как обычное целое зеркало. Однако с уменьшением размера части голограммы, уменьшается её качество.

Важной частью голографии является источник опорной волны. Чем более постоянные характеристики у света от этого источника, тем более качественной будет голограмма. Световые волны, излучаемые источником, должны быть когерентны. Когерентность - согласованность электромагнитных волн (в том числе и световых) во времени и пространстве. Когерентность волны означает, что в различных точках волны разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Наиболее когерентным источником световых волн является квантовый генератор или лазер. Лазер так называется из-за сокращения его английского названия - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света посредством вынужденного излучения. Вынужденное излучение - появление нового фотона при переходе атома, молекулы, ядра из возбужденного состояния в стабильное. Атом может поглотить фотон и перейти в возбуждённое состояние. Если после этого в него врежется другой фотон, обладающий энергией равной первому, то атом будет вынужден испустить фотон, и при этом второй фотон не исчезает. Таким образом, мы имеем уже 2 фотона.

Однако перед фазой вынужденного излучения идёт фаза накачки, т.е. возбуждения атомов. Через активную среду пропускается электромагнитная волна, длина которой отличается от длины волны вынужденного излучения. Когда атомы возбуждены, запускается волна, инициирующая вынужденное излучение, которое является когерентным электромагнитным излучением. Далее при помощи лазера получают голограмму, как описано выше.

2. Виды голограмм, их преимущества и недостатки

Явление голографии свойственно не только электромагнитным волнам (таким как свет), но и механическим (звуковым).

Существует 2 вида голограмм: оптическая и акустическая. О создании оптической голограммы сказано в главе 1, а вот с акустической всё происходит немного по-другому. Изначально предмет «освещается» звуковой волной, а восстанавливается голограмма лазерным лучом. Фиксируется оптическая голограмма не просто на фотопластинке, а на фотопластинке в растворе фиксажа, но звук тогда должен быть очень интенсивным. Более перспективный метод акустической голографии Ї воздействие на воду звуком высокой частоты. При этом на поверхности воды возникает рябь, заменяющая собой интерференционную решётку оптической голограммы. Её освещают лазером и получают изображение предмета, «освещаемого» звуковой волной.

Однако изображение, полученное таким образом, будет находиться далеко от поверхности воды. Чтобы оно находилось близко нужно сфокусировать его при помощи линз. Также рябь легко разрушается от малейшего внешнего воздействия. Можно также просто фотографировать рябь и проявлять её обычным способом. Можно улучшить качество голограммы, создав нефтяную плёнку на поверхности воды. На сегодняшний день этот метод является одним из наиболее эффективным среди других методов акустической голографии. Другими словами, акустическая голография даёт возможность создавать оптический аналог акустическому волновому полю. Такие голограммы имеют многообещающие перспективы во многих областях науки, техники и медицины.

В чем состоят преимущества использования звука вместо света? Взаимодействие звука с твердыми и жидкими телами отличается от взаимодействия с ними электромагнитного излучения. Звук может без заметных потерь энергии проходить большие расстояния в плотной однородной среде, однако он будет терять значительное количество энергии при прохождении поверхности раздела. Эта потеря связана с отражением на границе. Наоборот, электромагнитное излучение, такое, как рентгеновские лучи, теряет значительное количество энергии, проходя через среду, но на поверхности раздела потери незначительны. Поэтому только звук может быть эффективен в медицинской диагностике, при неразрушающих испытаниях, в подводной и подземной локации. Это объясняется тем, что наблюдателя интересуют в основном разрывы внутренних органов, опухоли, трещины, затонувшие объекты или подземные пласты, а не сама толща среды.

Ни для кого не секрет, что в медицине давно используются аппараты УЗИ, позволяющие при помощи звука увидеть внутренние органы человека. Однако изображение, полученное таким образом, будет двумерным. А при использовании голограммы Ї трёхмерным.

Группа учёных сняла голографический кинофильм, дающий акустическое изображение золотой рыбки. Изображение получено при помощи звука с частотой 9 МГц.

Ясно видны скелет рыбки, её внутренние органы и их движение. Развитие такого направления записи фильмов упростит изучение внутренних органов живых организмов.

Преимущество оптической голограммы над акустической в более неприхотливой поверхности записи. Фотографическая пластинка и интерференционная картина не портятся от встряхивания и даже от разлома пополам. Голограмма является чем-то вроде фрактала.

Фрактал -- сложная геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком.

Таким образом, каждый кусочек голограммы будет при восстановлении отображать изначальное изображение. Однако чем меньше кусочек голограммы, тем хуже будет качество восстановленного изображения.

Итак, существует два вида голограмм, каждый из которых по-своему хорош и имеет свою специфическую область применения.

3. Голографическая вселенная

схема голография визуализация

Голография ? вещь не только практического применения, но и важная составляющая современной физики, возможный путь к пониманию устройства нашей Вселенной. Наиболее ясно эта точка зрения отражена в статье Якоба Д. Бекенштейна из журнала «Scientific American», откуда и взята следующая информация.

Многие на вопрос, из чего сделан мир вокруг нас скажут: «Из вещества и энергии», однако, в современной физике всё шире распространяется мнение о том, что информация является не менее важной составляющей частью окружающего мира. Джон А. из Принстонского Университета положил начало современной тенденции, говорящей, что мир состоит из информации, которой случайно сопутствуют энергия и вещество.

Информационная емкость устройств типа жёстких дисков растёт год от года, а их размер всё уменьшается и уменьшается. Какова же максимальная емкость устройства, которое весит 1 грамм и занимает объём в 1 кубический сантиметр? Изучая свойства чёрных дыр физики, вывели абсолютный предел количества информации, которая может содержаться в определённой области пространства или определённое количество вещества. Связанные с этим результаты указывают, что наша Вселенная, которую мы воспринимаем как имеющую три пространственных измерения, на самом деле может быть "написана" на двухмерной поверхности, подобно голограмме.

Теория информации зародилась ещё в 1948 году, когда математик Клод Шеннон ввёл самую распространённую ныне меру информационного содержания: энтропию. Энтропия до этого была центральной концепцией термодинамики, раздела физики, изучающего тепловые явления. Термодинамическая энтропия, говоря простым языком, показывает меру беспорядка в системе.

Энтропия Шеннона для сообщения равна числу двоичных знаков, битов, необходимых для кодировки этого сообщения.

Энтропия Шеннона и термодинамическая энтропия примерно эквивалентны, но у них есть два важных различия. Во-первых, они выражаются в разных единицах измерения, но это различие ? дело соглашения. Но даже выраженные в одних и тех же единицах измерений две энтропии имеют сильно отличающиеся значения. Кремниевая микросхема, несущая гигабайт данных, например, имеет Энтропию Шеннона порядка 1010 бит.

Это во много раз меньше термодинамической энтропии микросхемы, которая примерно равна 1023 бит при комнатной температуре. Это различие возникает потому, что две энтропии вычисляются для разных степеней свободы. Степень свободы - это любая величина, которая может изменяться, подобно координате, характеризующей положение частицы, или одной из компонент ее скорости. Для энтропии Шеннона важно только общее состояние каждого миниатюрного транзистора, вытравленного в кремниевом кристалле. Транзистор или открыт или нет, что соответствует или 1 или 0 - простая двоичная степень свободы. Термодинамическая энтропия, наоборот, зависит от состояний всех миллиардов атомов (и электронов парящих около них), составляющих каждый из транзисторов. Миниатюризация приближает день, когда каждый атом будет хранить один бит информации для нас. В такой воображаемой микросхеме энтропия Шеннона приблизится по величине к термодинамической энтропии материала микросхемы. Когда две энтропии вычислены для одинаковых степеней свободы, они совпадают.

Исследования чёрных дыр помогают продвигать познание в современных областях физики. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что гравитация есть следствие искривления пространства-времени, которое заставляет предметы двигаться, как если бы их тянула сила притяжения. И наоборот, искривление пространства-времени вызывается присутствием материи и энергии. Согласно уравнениям Эйнштейна, достаточно большая концентрация вещества или энергии так сильно искривляет пространство-время, что оно замыкается, образуя чёрную дыру.

Законы общей теории относительности запрещают вещам, упавшим в чёрную дыру, вернуться обратно. Точка невозврата, так называемый "горизонт событий" черной дыры, имеет ключевое значение. В простейшем случае горизонт событий черной дыры представляет собой сферу, поверхность которой больше для более массивной черной дыры. Невозможно определить, что происходит внутри черной дыры. Никакая детальная информация не может выйти из-под горизонта событий и вырваться во внешний мир.

Исчезая навсегда в черной дыре, кусочек вещества, однако, оставляет некоторые следы. Его энергия проявляет себя в возрастании массы черной дыры. В таком случае второй закон термодинамики кажется нарушенным. Второй закон термодинамики обобщает обычные наблюдения, что большинство процессов в природе необратимо: чайная чашка падает со стола и разбивается, но никто никогда не наблюдал, чтобы осколки сами притянулись на стол и снова объединились в чайную чашку. Второй закон термодинамики запрещает такой обратный процесс. Он говорит, что энтропия изолированной физической системы никогда не уменьшается. Самое большее - энтропия не будет меняться, а обычно она растет. Когда вещество исчезает в черной дыре, ее энтропия пропадает навсегда, и, следовательно, второй закон термодинамики как бы нарушается. Решение этой проблемы было найдено Деметриосом Христодулу и Стивеном Хокингом в 1972 году. Гипотеза состояла в том, что когда материя падает в черную дыру, увеличение энтропии черной дыры всегда компенсирует или превосходит по величине "потерянную" энтропию материи. Более обобщённо, сумма энтропии черных дыр и обычной энтропии вне черных дыр никогда не уменьшается. Это и есть обобщённый второй закон - ОВЗ, для краткости.

ОВЗ позволяет поставить верхний предел на информационную вместительность для любой изолированной физической системы, названный универсальным энтропийным пределом. Он ограничивает энтропию, которую может иметь некоторая масса определенных размеров. Теперь мы можем ответить на те ускользающие вопросы о максимальном количестве хранимой информации. Устройство, имеющее 1см размер, в принципе может хранить до 1066 бит информации - умопомрачительная величина. Видимая Вселенная содержит по крайнее мере 10100 бит энтропии, которую в принципе можно поместить в сфере радиусом в одну десятую светового года. Однако оценить энтропию Вселенной сложно, и значения энтропии гораздо большие, требующие для упаковки сферы почти такого же размера, как сама Вселенная, совсем не исключены.

Но совсем другой аспект голографического предела является действительно удивительным. В частности, максимальное количество энтропии зависит от окружающей поверхности, а не от объема. Представим, что мы собираем микросхемы памяти компьютера в большую кучу. Число транзисторов и, следовательно, информационная емкость растут с объемом кучи. То же самое происходит с полной термодинамической энтропией всех микросхем. Однако теоретическая максимальная информационная емкость области пространства, занятой микросхемами, растет, заметьте, только с увеличением поверхности. Так как объем растет быстрее, чем площадь поверхности, наступит момент, когда энтропия всех микросхем превысит голографический предел. Кажется, тогда или ОВЗ должен нарушиться или наши представления об информационной и энтропийной ёмкости окажутся неправильными. На самом деле, фиаско терпит само собрание микросхем: под действием собственной гравитации оно коллапсирует и превращается в черную дыру до того, как голографический предел будет превзойден. После этого каждая дополнительная микросхема будет увеличивать массу и площадь поверхности черной дыры в полном согласии с ОВЗ.

Этот удивительный результат - что информационная емкость зависит от площади поверхности - находит естественное объяснение, если голографический принцип соответствует истине.

В обычной жизни голограмма представляет специальную разновидность фотографии, при которой воссоздается полный трехмерный образ предмета при специальном освещении. Вся информация, описывающая трехмерную картину, закодирована в виде темных и светлых полос на двумерной пленке, готовой к воспроизведению. Голографический принцип утверждает, что некоторый аналог этой оптической магии применим для полного физического описания любой системы в трехмерной области: он утверждает, что некоторая физическая теория, определенная только на двумерной поверхности, ограничивающей данную область, полностью описывает трехмерную физику внутри области. Если трехмерная система полностью может быть описана некоторой физической теорией, обитающей целиком на двумерной границе области, то мы вправе ожидать, что информационное содержание системы не будет превышать соответствующее описание на граничной поверхности. Таким образом, многие учёные развивают теорию, что наша 4-х мерная Вселенная (имеет объём и расширяется во времени итого ? 4 измерения) «нарисована на своей границе». Однако до сих пор неясно, какую поверхность использовать как границу Вселенной.

Увеличение числа модификаций голографического мотива указывает, что предмет еще не достиг статуса физического закона. Однако он оставляет ещё много вопросов, и, похоже, исследования в этой области не закончатся ещё долго. Теперь физикам, считавшим, что теория поля (Классическая теория поля -- физическая теория о взаимодействии полей и материи) ? основной язык природы, должны принять тот факт, что теория поля со всеми своими бесконечностями и множеством степеней свободы не может быть окончательной теорией. Голография ограничивает число степеней свободы, которые могут быть внутри некоторого пространства конечным числом.

Голография может быть проводником к лучшей теории. Современные учёные считают, что такая окончательная теория должна оперировать не полями, даже не пространством-временем, а обменом информацией между физическими процессами. Если это и вправду так, то взгляд на информацию, как на строительный материал Вселенной, найдет достойное воплощение.

Заключение

схема голография визуализация

Голография ? очень важная область современной науки и техники. Она может быть использована как в бытовых целях (развлечения, 3-D камеры), так и в разных областях науки: от медицины (изучение внутренностей без хирургического вмешательства) до физики (создание теории, проливающей свет на устройство Вселенной).

Сейчас раскрыт не весь потенциал голографии, но огромные перспективы, скорее всего, со временем привлекут множество учёных и инвесторов к развитию этого интересного предмета.

Список литературы

1.А. К. Горбунов, Э. Д. Панаиотти, Н. А. Силаева. Курс физики для довузовской подготовки ? Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010

2.Свободная Интернет - энциклопедия Википедия //ru.wikipedia.org. Ссылка действительна на 11.04.12.

3.Фролов В.С. 'Волшебное зеркало (Современные методы и средства голографии)' ?Москва: Знание, 1979 - с.144

4.Jacob D. Bekenstein Scientific American "Information if the Holographic Universe".

Размещено на Allbest.ru