Этот «цифровой» физический мир - Андрей Гришаев

Рассмотрим случай классической голографии, когда для записи голограммы используется прозрачная пластинка с тонким фото-слоем. Источник света для записи голограммы должен обеспечивать достаточно высокую когерентность – для получения качественной интерференционной картинки – поэтому здесь обычно используются лазерные источники света. На стадии записи голограммы, расширенный пучок света расщепляется делительной пластинкой Д (см. Рис.3.6.1) на два. Один из них направляется на фотопластинку Ф прямо (т.н. опорный пучок), а второй (т.н. предметный пучок) освещает объект О так, чтобы на фотопластинку попадал свет, рассеянный на объекте О. На фотопластинке получается картинка интерференции опорного и предметного пучков – это и есть голограмма. Для понимания того, как она воспроизводит образ объекта, следует понимать, по какому принципу оказались выбраны те места на фотопластинке, в которых фотографические зёрнышки сработали и создали т.н. точки почернения.

Рис.3.6.1

Как мы излагали выше (3.5), каждому кванту света прокладывает путь отдельный канал Навигатора. При этом обрабатываются все имеющиеся варианты движения волн расчётных вероятностей (3.4) – отчего создаётся иллюзия вариантов путей, по которым может лететь квант, чтобы попасть на фотопластинку. На наш взгляд, «варианты путей» имеются лишь для волн расчётных вероятностей, а квант отнюдь не «летит»: по завершении расчётов в своём канале Навигатора, квант почти-мгновенно (3.3) перебрасывается в ту точку на фотопластинке, для которой расчётная вероятность переброса оказалась максимальной. Для каждого кванта такая точка на фотопластинке – своя; но положения этих точек для множества квантов определяются одним и тем же принципом. Этот принцип очень прост, если иметь в виду, что продольный профиль волны расчётных вероятностей представляет собой последовательность узких пиков (3.4), следующих друг за другом с интервалами в одну длину волны. Так вот: точки максимально вероятного попадания кванта – это те точки на фотопластинке, в которых волны расчётных вероятностей (опорного и предметного пучков) схлёстываются своими пиками. Ещё раз подчеркнём: каждому кванту соответствует множество точек на фотопластинке, где волны расчётных вероятностей схлёстываются своими пиками, но попадает квант только в одну из таких точек, и только в ней происходит результирующее срабатывание фотографического зёрнышка. При достаточной величине экспозиции, даже в элементарном случае точечного объекта, на фотопластинке получится система точек почернения – интерференционная картинка. В случае объекта более сложного, чем точечный, каждой его точке, от которой рассеянный свет попадает на фотопластинку, будет соответствовать своя система точек почернения, т.е. своя интерференционная картинка на результирующей голограмме.

В этой процедуре записи голограммы не происходит, казалось бы, ничего удивительного. Но далее, на стадии воспроизведения, происходит настоящее чудо – если подходить к происходящему в рамках традиционных представлений о свете. Голограмму освещают только одним пучком света – опорным, повторяя геометрию его падения на стадии записи (Рис.3.6.2). Этот свет, падающий на голограмму, дифрагирует на её точках почернения, каждая из которых оказывается в роли «источника вторичных волн». В результате свет, прошедший сквозь голограмму, формирует мнимое изображение объекта – которое, при хорошем качестве голограммы, визуально неотличимо от оригинала. Сказать, что изображение объекта получается объёмное – это почти ничего не сказать. Дело в том, что при изменении, в некоторых пределах, угла зрения, объект предстаёт в соответственно изменяющихся ракурсах, т.е. наблюдатель может «заглянуть за край» изображения!

Рис.3.6.2

Эти колоритные особенности голографического изображения поясняются во многих учебниках тем, что, на стадии записи, на фотопластинке записывается информация не только об амплитудных соотношениях интерферирующих волн, но и об их фазовых соотношениях – а, при воспроизведении, эти фазовые соотношения, якобы, тоже воспроизводятся. Такое пояснение, лишь из вежливости, сгодится в качестве поэтической метафоры – ибо, физически, оно бессмысленно. Причина совсем проста: зрительный аппарат человека не производит фазового детектирования входящего света, он обрабатывает лишь попадания квантов в светочувствительные клетки сетчатки.

Но голографическое изображение, в рамках традиционных представлений о свете, является чудом не только потому, что если даже фазовые соотношения как-то записывались бы на голограмме, то они были бы совершенно бесполезны при визуальном восприятии записанного изображения. Дело ещё вот в чём. Интерференция и дифракция являются волновыми явлениями, поэтому феномен голографии пытаются объяснять в терминах световых волн, продольный профиль которых представляет собой синусоиду. Для простейшего случая точечного объекта, этот подход работает. Синусоидальная волна, дифрагируя на интерференционной картинке, которая соответствует точечному объекту, действительно сформирует мнимое изображение этого точечного объекта – что в теории дифракции доказывается строго математически. Но на этом в учебниках и заканчивается объяснение феномена голографии. А такого «объяснения» совершенно недостаточно! В самом деле, пусть объект представляет собой всего-то две различные точки, каждой из которых будет соответствовать своя система точек почернения на записанной голограмме. Опорная синусоидальная волна, падая на такую голограмму, будет дифрагировать сразу на обеих названных системах точек почернения, поскольку отсутствует какой-либо механизм, обеспечивающий селективную дифракцию – только на той или только на другой системе точек. Поэтому никаких изображений двух точек объекта не будет сформировано: световые волны, которые сформировали бы эти изображения по отдельности, «тупо» проинтерферируют друг с другом и создадут в итоге визуальную какофонию. От этого случая двухточечного объекта ничем принципиально не отличается случай, когда объект состоит из множества различных точек. Таким образом, из традиционных представлений о свете прямо следует, что голографические изображения обычных объектов не могут формироваться в принципе.

Но ведь они формируются, да ещё как! В чём же разгадка этого чуда? Разгадка, на наш взгляд, в том, что световых волн не существует в природе, а голографические изображения формируются с помощью волн расчётных вероятностей. Напомним, что эти волны имеют не физическую природу, а чисто программную (3.4) – и, когда мы говорим о дифракции и интерференции этих волн, мы подразумеваем, что эти явления происходят на программном уровне реальности. Результат дифракции волны расчётных вероятностей на голограмме будет отличаться от результата дифракции световой синусоидальной волны – вторичные волны которой, интерферируя, тотально суммировались бы друг с другом. У вторичных волн расчётных вероятностей, сразу после дифракции на голограмме, интерференция поначалу тоже имеет характер тотального суммирования. Но Навигатор быстро обнаруживает, что среди всех имеющихся вариантов наложения пиков вторичных волн начинают устойчиво выделяться те варианты, для которых вероятности переброса кванта заметно выше средней шумовой величины (кстати, расчёты, производимые Навигатором, чрезвычайно упрощаются благодаря дискретному характеру волн расчётных вероятностей). Каждый устойчиво выделяющийся вариант – это результат наложений пиков только тех вторичных волн, источниками которых являются точки почернения на голограмме, соответствующие какой-то одной точке объекта! Теперь учтём, что Навигатор начинает просчитывать все возможные варианты переброса кванта, но, отбрасывая маловероятные из них, продолжает просчитывать лишь наиболее вероятные – поэтому, например, исходящая из атома первичная сферическая волна, дойдя до первых же атомов, приобретает уже лучевую направленность, и т.д. (3.4). Этот феномен мы называем приоритетной интерференцией. Возвращаясь к дифракции опорного пучка света на голограмме, мы замечаем, что, благодаря приоритетной интерференции, Навигатор будет просчитывать до конца лишь те варианты переброса кванта, которые, на стадии воспроизведения, дадут иллюзию «прямого полёта» кванта от той или иной точки объекта. Совместное восприятие таких квантов и даст голографическое изображение объекта.

Как можно видеть, именно приоритетная интерференция вторичных волн расчётных вероятностей при работе Навигатора обеспечивает независимое воспроизведение образов различных точек объекта – в противоположность визуальной какофонии, неизбежной по концепции обычной, тотальной интерференции световых волн. Именно с учётом приоритетной интерференции легко объясняются необычные особенности голографического изображения, например, изменение его ракурса при соответствующем изменении угла зрения. Действительно, голограмма содержит интерференционные картинки, соответствующие всем точкам объекта, от которых рассеянный свет попадал на фотопластинку при записи – в том числе и от тех точек, которые видимы при несколько различающихся ракурсах. Поскольку, при воспроизведении голографического изображения, создаётся иллюзия «прямого полёта» квантов от той или иной точки объекта, то кванты «от точек, прикрытых краем изображения», «не попадают» в глаз, но начинают попадать в него при соответствующем его перемещении – что и создаёт полную иллюзию «заглядывания за край».