เหตุใดโฮโลแกรมจึงเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิทยาศาสตร์ที่ช่วยให้ผู้ค้นพบคว้ารางวัลโนเบล

ที่มาของภาพ : Natalie Logan

Article Knowledge

• • Creator, คริส บารานิอุค
  • Feature, บีบีซี เวิลด์ เซอร์วิส
• เมื่อ 9 ชั่วโมงที่แล้ว

ความซับซ้อนบนใบหน้าของมาร์ติน สกอร์เซซี ทำให้เขาหลงใหล ไม่ว่าจะในทุกรูขุมขนบนผิวหนัง เส้นผมเล็ก ๆ แต่ละเส้น มาร์ติน ริชาร์ดสัน นักสร้างภาพโฮโลแกรม สร้างโฮโลแกรมหรือภาพ 3 มิติของผู้กำกับภาพยนตร์ชื่อดังผู้นี้ขึ้นมาถึง 6 ภาพ และภาพโฮโลแกรมนี้ซึ่งเต็มไปด้วยรายละเอียดที่ดูเหมือนไม่มีที่สิ้นสุดทำให้เขาตะลึงงัน ขณะที่ริชาร์ดสันจ้องมองลึกเข้าไปในส่วนลึกของใบหน้าสกอร์เซซี เขารู้สึกราวกับว่าผู้กำกับอยู่ในห้องกับเขาอีกครั้ง

หลังจากศึกษาภาพโฮโลแกรมเป็นเวลาหลายชั่วโมง ริชาร์ดสันสังเกตเห็นว่าโฮโลแกรมนั้นจับภาพแม้กระทั่งฝุ่นผงเล็ก ๆ ที่ลอยอยู่ในอากาศระหว่างสกอร์เซซีและผู้ชม มันเป็นภาพลวงตาที่สมบูรณ์แบบที่เกิดจากแสง เป็นเพียงเสี้ยววินาทีที่ถูกกักขังไว้ชั่วนิรันดร์

“มันเป็นสื่อที่น่าหลงใหล” ริชาร์ดสัน ผู้ซึ่งใช้เวลาหลายสิบปีในการสร้างโฮโลแกรม ค่อย ๆ พัฒนาวิธีการต่าง ๆ ให้สมบูรณ์แบบ กล่าว

บางครั้งเขาหยิบภาพโฮโลแกรมที่เขาชื่นชอบออกมาจากที่เก็บภาพเพื่อมองมันอีกครั้ง “มันทำให้ผมขนลุก” เขากล่าว

โฮโลแกรมมีความพิเศษ และเพื่อที่จะเข้าใจมันอย่างแท้จริง สิ่งสำคัญคือการต้องเข้าใจว่าโฮโลแกรมไม่ใช่อะไรบ้าง

Skip ได้รับความนิยมสูงสุด and proceed readingได้รับความนิยมสูงสุด

ได้รับความนิยมสูงสุด

ภาพฉายอันน่าอัศจรรย์ของเจ้าหญิงเลอาในภาพยนต์เรื่อง สตาร์ วอร์ส (Huge identify Wars) ซึ่งโด่งดังจากการวิงวอนขอความช่วยเหลือนั้นไม่ใช่ภาพโฮโลแกรม เช่นเดียวกับกลลวงบนเวทีที่รู้จักกันในชื่อภาพลวงตาของเทคนิคผีของเปปเปอร์ (Pepper's Ghost) ซึ่งทำให้ภาพโปร่งแสงของเหล่าป็อปสตาร์สามารถแสดงต่อหน้าผู้ชมได้ ก็ไม่ใช่เทคโนโลยีโฮโลแกรมเช่นกัน

คลื่นที่กระทบกัน

ตัวอย่างที่ถูกพูดถึงข้างต้น ไม่ใช่ภาพโฮโลแกรม เพราะภาพโฮโลแกรมคือภาพ 3 มิติที่สร้างขึ้นโดยการบันทึกสิ่งที่เรียกว่ารูปแบบการแทรกสอด (interference sample) โดยให้เราลองนึกถึงความซับซ้อนที่เกิดขึ้นเมื่อหน้าคลื่นสองหน้ามาบรรจบกัน

คุณสามารถสร้างการแทรกสอดด้วยตัวเองได้โดยการแตะผิวน้ำในถาดที่จุดตรงข้ามสองจุด แล้วสังเกตการชนกันของคลื่นขนาดเล็ก รูปแบบการแทรกสอดที่เกิดจากแสงสะท้อนจากวัตถุ 3 มิติมีความซับซ้อนมากกว่านั้นมาก

แต่ที่น่าทึ่งคือ ด้วยการดักจับรูปแบบการแทรกสอดของแสงไว้บนฟิล์มถ่ายภาพหรือแผ่นฟิล์ม แล้วฉายแสงใหม่ลงไป คุณสามารถสร้างหน้าคลื่นดั้งเดิมที่สะท้อนจากวัตถุหรือผู้กำกับภาพยนตร์ที่คุณถ่ายไว้ตอนบันทึกภาพโฮโลแกรมขึ้นมาใหม่ได้ มันเหมือนกับภาพถ่ายที่สะท้อนแสงออกมาเป็น 3 มิติ

ผู้คนใช้โฮโลแกรมเพื่อสร้างงานศิลปะแฟนตาซี ศึกษาข้อบกพร่องเล็ก ๆ น้อย ๆ ในวัสดุก่อสร้าง และแม้กระทั่งสร้างแว่นตาเสมือนจริง เรื่องราวของโฮโลแกรมนั้นเต็มไปด้วยความคิดสร้างสรรค์อันน่าทึ่ง แต่บางคนก็แย้งว่ามันคือคำสัญญาที่ยังไม่เป็นจริง

แสงที่สอดคล้องกันจากเลเซอร์

ในช่วงทศวรรษ 1940 เดนนิส กาบอร์ นักฟิสิกส์ชาวฮังการี-อังกฤษ กำลังมองหาวิธีสร้างภาพที่มีรายละเอียดของสิ่งเล็ก ๆ มากมาย เขาหลงใหลในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเทคนิคที่ได้รับรางวัลโนเบล โดยอาศัยลำแสงอิเล็กตรอนแทนแสง นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคนี้สร้างภาพของวัตถุต่าง ๆ รวมถึงภาพขนขนาดเล็กจิ๋วบนลำตัวแมลง

กาบอร์ ต้องการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ และวิธีการที่เขาคิดค้นขึ้นนั้นต้องใช้หลักการสำคัญของโฮโลกราฟี ( holography) นั่นคือการสร้างหน้าคลื่นขึ้นใหม่ ซึ่งก็คือความซับซ้อนทั้งหมดของคลื่นอิเล็กตรอนหรือคลื่นแสงที่สะท้อนจากวัตถุ

แม้ว่ากาบอร์จะพิสูจน์แล้วว่าสามารถทำได้ในขณะนั้น แต่เขาก็มีข้อจำกัดตรงที่เขาต้องการแหล่งกำเนิดคลื่นที่สอดคล้องกัน (coherent waves) หรือ ‘คลื่นโคฮีเรนต์' ซึ่งคลื่นจะเคลื่อนที่โดยที่จุดสูงสุดและจุดต่ำสุดของคลื่นอยู่ในแนวเดียวกัน ลำแสงอิเล็กตรอนในช่วงทศวรรษ 1940 จะมีความสอดคล้องกันหรือที่เรียกว่าโคฮีเรนต์ แต่ตัวปล่อยแสงโคฮีเรนต์หรือเลเซอร์ ยังไม่เกิดขึ้นจนกระทั่งถึงทศวรรษ 1960

นักวิจัยสองคนจากมหาวิทยาลัยมิชิแกน ได้แก่ เอ็มเม็ตต์ ลีธ วิศวกรไฟฟ้า และจูริส อุปัตเนียกส์ นักฟิสิกส์-นักประดิษฐ์ ได้พัฒนาแนวคิดโฮโลแกรมของกาบอร์ขึ้นอย่างก้าวกระโดดเมื่อพวกเขาใช้เลเซอร์สร้างโฮโลแกรมชิ้นแรกที่คุณหรือผมอาจจำได้ อย่างเช่นภาพ 3 มิติอันโด่งดังของรถไฟของเล่นด้วย

ที่มาของภาพ : Smithsonian National Museum of American History

นักวิจัยคนอื่น ๆ ก็มีส่วนร่วมในงานวิจัยโฮโลแกรมในช่วงเวลานี้เช่นกัน แต่กาบอร์ เพียงคนเดียวเท่านั้นที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1971 จากผลงานของเขา

โฮโลแกรมสร้างความตื่นตาตื่นใจและน่าทึ่ง นาตาลี โลแกน ศิลปินชาวแคนาดา เล่าถึงชั้นเรียนโฮโลแกรมช่วงแรก ๆ ของเธอในมหาวิทยาลัย อาจารย์มีโฮโลแกรมบางชิ้นที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคที่หลากหลาย ซึ่งล้วนมาจากแนวคิดดั้งเดิมของกาบอร์ โฮโลแกรมแต่ละชิ้นมีความลึกและรายละเอียดที่แตกต่างกัน

ชิ้นหนึ่งเป็นโฮโลแกรมที่สร้างขึ้นจากของเล่นตัวทหาร ซึ่งดูน่าหลงใหลมากจนโลแกน คิดว่าอาจารย์กำลังเล่นตลก โดยอาจารย์ของเขาได้แสดงวัตถุ 3 มิติจริงให้นักเรียนดู เพื่อดูว่าพวกเขาจะมองเห็นความแตกต่างหรือไม่

“เมื่อฉันรู้ว่ามันเป็นแผ่นกระจกแบน ๆ ฉันก็ตกใจมาก” โลแกนเล่า ซึ่งต่อมาเธอก็ได้สร้างโฮโลแกรมขึ้นเอง

ผลงานชุดของเธอชื่อ Trapped Gentle (อาจแปลเป็นไทยได้ว่าแสงที่ถูกกักขัง) นำเสนอโฮโลแกรมสีสันสดใสที่มีรูปร่างแปลกตาและเบาบาง “ฉันมองว่าโฮโลแกรมเป็นเหมือนภาชนะ” เธอกล่าว “คุณกำลังเล่นซ้ำสิ่งที่แสงทำในขณะนั้น”

ระเบียบท่ามกลางความยุ่งเหยิv

การสร้างโฮโลแกรมไม่ใช่เรื่องง่ายเลย

“โอ้พระเจ้า ฉันทุ่มเทเวลาไปนานมาก” คลอเด็ตต์ เอบรามส์ ศิลปินโฮโลแกรมชาวแคนาดาอีกคนหนึ่งกล่าว

มีหลายวิธีในการทำภาพโลโลแกรม แต่ในการสร้างโฮโลแกรมเลเซอร์ภาพหนึ่ง เช่น ไดโนเสาร์ของเล่น นักโฮโลแกรมอาจใช้ฟิล์มโฮโลแกรม เลเซอร์ อุปกรณ์ขยายลำแสง และเครื่องแยกลำแสง เมื่อมีลำแสงสองลำที่ขยายออกแล้ว นักสร้างโฮโลแกรมจะฉายลำแสงหนึ่งไปที่ไดโนเสาร์ ส่วนลำแสงอีกลำหนึ่งจะไม่กระทบผ่านไดโนเสาร์ ซึ่งยังคงสภาพเดิมของลำแสงไว้ แต่ลำแสงเหล่านั้นจะมาบรรจบกันที่ฟิล์มบันทึกภาพ ทำให้เกิดการสอดแทรกขึ้น

รูปแบบการสอดแทรกที่เกิดขึ้นจากฟิล์มบันทึกภาพนั้นเปรียบเสมือนการบันทึกจุดสูงสุดและจุดต่ำสุดของแสงที่มาจากวัตถุได้อย่างสมบูรณ์แบบ แม้ว่าในสายตามนุษย์จะดูเหมือนความยุ่งเหยิvไร้ระเบียบก็ตาม

อย่างไรก็ตาม การฉายแสงเลเซอร์ใหม่ลงบนแบบจำลองที่สร้างขึ้นอย่างเหมาะสม และความสลับซับซ้อนหรือคลื่นของแสงจะทำให้เกิดการเลี้ยวเบนของแสง ทำให้แสงเบี่ยงเบนไปในหลายทิศทาง จนสามารถจำลองหน้าคลื่นที่มาจากไดโนเสาร์ในระหว่างการบันทึกได้อย่างสมบูรณ์แบบ

เหตุที่เป็นเช่นนั้นเพราะสิ่งที่บันทึกไม่ได้มีแต่เพียงความเข้มของแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเฟสของแสงด้วย หรือวิธีที่ไดโนเสาร์ส่งผลต่อความสอดคล้องของแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่งว่าแสงเหล่านั้นยังคงประสานกันอยู่หรือแยกออกจากกันอย่างไรเมื่อสะท้อนจากของเล่นไปในทิศทางต่าง ๆ และนั่นก็คือเคล็ดลับของโฮโลแกรม

สำหรับเอบรามส์ เธออธิบายว่าเธอสนใจโฮโลแกรมในฐานะวิธีการเล่นกับแนวคิดเกี่ยวกับความเป็นจริงและบอกว่า “ความเป็นจริงเสมือนมีอยู่มากมาย”

เธอสนุกกับการสร้างโฮโลแกรมสัตว์ โดยการจับสีหน้าท่าทางของพวกมันไว้ตามกาลเวลาในซีรีส์ที่สำรวจว่ามนุษย์ทำให้สัตว์เป็นเพียงสิ่งมีชีวิตชายขอบหรือหาเงินจากสัตว์อย่างไร

“เรามีนกบินอยู่เต็มไปหมด” เธอเล่า “พวกมันถ่ายอุจจาระใส่เลนส์บางส่วน และมันเลอะเทอะไปหมด”

โฮโลแกรมเป็นทางออกของการจัดเก็บข้อมูลหรือไม่

ในศตวรรษที่ 20 วิศวกรหลายคนได้นำเทคโนโลยีนี้มาใช้บันทึกภาพโฮโลแกรมของวัสดุต่าง ๆ

หากคุณต้องการตรวจสอบว่าคานเหล็กในอาคารมีความปกติหรือไม่ เช่น มีการเสียรูปหรือโก่งงอไปตามกาลเวลาหรือไม่ คุณสามารถสร้างภาพโฮโลแกรมแล้วรอสักระยะ จากนั้นสร้างภาพโฮโลแกรมอีกภาพหนึ่งและซ้อนทับทั้งสองภาพเพื่อเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างเพียงเล็กน้อย หรือรอยแตกหรือข้อบกพร่องที่เกิดขึ้น

คุณสามารถนำเทคนิคเดียวกันนี้ไปใช้กับทุกสิ่งทุกอย่างได้ ตั้งแต่แผ่นวีเนียร์ครอบฟันไปจนถึงใบพัดกังหันของเครื่องยนต์ไอพ่น

แต่ปัจจุบันมีทางเลือกที่ “ง่ายกว่า” มากมาย ฌอน จอห์นสตัน ศาสตราจารย์กิตติคุณแห่งมหาวิทยาลัยกลาสโกว์และผู้เขียนหนังสือ Holographic Visions: A History of New Science กล่าว อาจแปลได้ว่า วิสัยทัศน์โฮโลกราฟิก: ประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ใหม่ กล่าว ซึ่งหมายถึงว่า เทคนิคโฮโลกราฟิกอินเตอร์เฟอโรมิทรี (holographic interferometry) ตามที่รู้จักกันนั้นถูกแทนที่ด้วยวิธีการอื่น ๆ ไปเกือบหมดแล้ว

ที่มาของภาพ : Getty Images/BBC

การประยุกต์ใช้โฮโลแกรมอีกแบบหนึ่งก็ประสบปัญหาเช่นกัน เนื่องจากโฮโลแกรมบันทึกข้อมูลได้มากกว่าภาพถ่ายมาก นักวิจัยจึงได้ทดลองใช้เทคนิคนี้เพื่อการจัดเก็บข้อมูลขั้นสูงมาเป็นเวลานาน

แต่มาซูด มันซูรีปูร์ จากมหาวิทยาลัยแอริโซนา ได้เล่าเรื่องราวของ InPhase บริษัทที่มุ่งหวังที่จะนำการจัดเก็บข้อมูลโฮโลแกรมในเชิงพาณิชย์บนดิสก์ที่ซับซ้อน แต่กลับล้มละลายในปี 2010

“มันเป็นเทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยม แต่ไม่มีทางที่จะแข่งขันในตลาดได้” มันซูรีปูร์เล่า พร้อมอธิบายว่าหน่วยความจำเอสเอสดี (true-direct drives-SSD) ขนาดใหญ่ก็เกิดขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน ซึ่งมีราคาถูกกว่ามาก

การจัดเก็บข้อมูลโฮโลแกรมยังไม่สามารถแทนที่การจัดเก็บข้อมูลด้วยแถบเทปแม่เหล็ก ซึ่งยังคงใช้ในการเก็บถาวรข้อมูลขนาดใหญ่มากได้

การถ่ายภาพที่สมบูรณ์แบบ

หากจะตอบคำถามเกี่ยวกับประโยชน์ของโฮโลแกรม เราต้องย้อนกลับไปถึงสมัยของกาบอร์

“มันถูกโฆษณาเกินจริงและขายในราคาเกินจริงมาตั้งแต่แรกเริ่ม” จอห์นสตันกล่าว

โฮโลแกรมเลเซอร์ยุคแรก ๆ ที่น่าประทับใจมาก คือภาพโฮโลแกรมที่ผลิตโดยลีธและอุปัตเนียกส์ ตามมาด้วยโฮโลแกรมแบบส่งผ่านสีรุ้งหรือแบบนูน ซึ่งเป็นแบบที่คุณจะพบบนบัตรเครดิตของคุณ และยังคงมีประโยชน์ในฐานะคุณสมบัติด้านความปลอดภัย และเป็นเรื่องยากที่ใครจะลอกเลียนแบบโฮโลแกรมและรายละเอียดอันน่าทึ่งที่มีอยู่ในนั้น

ที่มาของภาพ : Getty Images/BBC

แต่เมื่อเวลาผ่านไป นี่อาจไม่ใช่การใช้งานเทคโนโลยีที่น่าตื่นตาตื่นใจนัก จอห์นสตันเขียนไว้ว่า โฮโลแกรมถูก “จำกัดอยู่แค่ในหนังสือสติกเกอร์สำหรับเด็ก”

แต่กระนั้นงานวิจัยที่อิงกับหลักการของโฮโลแกรมก็ยังคงดำเนินต่อไป เช่น แว่นตาเสมือนจริง (AR) ที่ใช้องค์ประกอบของออปติคัลโฮโลแกรม (holographic optical substances – HOE)

แว่นตาเหล่านี้สร้างภาพ 3 มิติที่สดใสภายในขอบเขตการมองเห็นของบุคคล โดยการหักเหแสงในลักษณะเดียวกับโฮโลแกรม เทคโนโลยีดังกล่าวกำลังช่วยทำให้อุปกรณ์ AR มีขนาดเล็กลงและน่าประทับใจยิ่งขึ้น “คุณสามารถซ้อนภาพกับโลกแห่งความเป็นจริงได้” มันซูรีปูร์กล่าว

ไม่ว่าคุณจะคิดว่าโฮโลแกรมสามารถทำได้ตามความคาดหวังหรือไม่นั้น เรื่องนี้อาจแตกต่างกันออกไปตามความคิดเห็น

ทว่า มาร์ติน ริชาร์ดสัน เป็นหนึ่งในผู้ที่โต้แย้งแนวคิดนี้ เพราะไม่ว่าจะอย่างไรก็จะยังมีโฮโลแกรมที่มีรายละเอียดน่าทึ่งอยู่เสมอ ซึ่งผู้ที่โชคดีพอที่จะได้เห็นจะไม่มีวันลืม

จอห์นสตันมีภาพโปรด นั่นคือภาพลูซี่ในหมวกดีบุก เป็นภาพโฮโลแกรมของผู้หญิงที่สวมต่างหูขนาดใหญ่แวววาวและผ้าคลุมศีรษะที่มีทรงแหลมแปลก ๆ

จอห์นสตันกล่าวว่าโฮโลแกรมเช่นนี้เป็นช่องทางที่สามารถมองเห็นวัตถุได้ และเมื่อโฮโลแกรมเหล่านี้มีคุณภาพดี มันก็จะเป็น “สิ่งที่ใกล้เคียงกับสื่อบันทึกภาพที่สมบูรณ์แบบที่สุดเท่าที่เคยมีมา”

เนื้อหานี้เขียนขึ้นด้วยความร่วมมือระหว่างบีบีซี กับฝ่ายประชาสัมพันธ์รางวัลโนเบล (Nobel Prize Outreach)