W 1862 roku londyńska publiczność wstrzymywała oddech, gdy na scenie teatru pojawiał się półprzezroczysty duch, który płynął w powietrzu i znikał przy dotknięciu. Nie było tam ani prądu, ani komputerów — wystarczyła szyba pod kątem i dobrze ukryty aktor. Tę samą sztuczkę możesz dziś odtworzyć w kwadrans, z kawałka twardej folii i smartfona, a efekt — pływający w środku piramidy obiekt widoczny z czterech stron — wygląda zaskakująco profesjonalnie.

Co nam będzie potrzebne?

  • kawałek przezroczystej, sztywnej folii o grubości 0,2–0,5 mm (np. okładka na dokumenty, opakowanie po ciastkach lub przezroczyste pudełko plastikowe)
  • nożyczki lub nóż do tapet, linijka i cienki marker
  • przezroczysta taśma klejąca
  • kartka papieru, na której narysujesz wzór (szablon trapezu)
  • smartfon z filmem „hologram pyramid" (wyszukaj go w serwisie wideo) lub własną animacją na czarnym tle
  • zaciemniony pokój

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Narysuj szablon trapezu. Na kartce papieru narysuj trapez równoramienny o podstawie dolnej 6 cm, górnej 1 cm i wysokości 4 cm. Takie wymiary pasują do ekranu telefonu o przekątnej około 6 cali; przy większym lub mniejszym urządzeniu proporcjonalnie powiększ lub zmniejsz rysunek. Kąt nachylenia boków sprawi, że ściany piramidy będą pochylone mniej więcej pod kątem 45° do ekranu, a to jest geometria, na której opiera się cały efekt.

Krok 2: Wytnij cztery identyczne trapezy z folii. Połóż szablon pod folią, obrysuj go markerem i starannie wytnij cztery sztuki. Krawędzie powinny być równe, bo każda nierówność będzie widoczna jako zniekształcenie obrazu. Zdejmij z folii ewentualną papierową osłonkę i unikaj odcisków palców — każdy ślad tłuszczu rozprasza światło i psuje przejrzystość.

Krok 3: Sklej piramidę. Ułóż trapezy bokami obok siebie, krótszą krawędzią do góry, i sklej ich boczne krawędzie od wewnątrz paskami taśmy. Następnie złóż całość w ostrosłup ścięty, domknij ostatnie połączenie i sprawdź, czy wszystkie krawędzie przylegają bez szczelin. Powstała piramida jest odwrócona: wąski wierzchołek ma stać na środku ekranu telefonu, a szeroka podstawa skierowana ku górze.

Krok 4: Uruchom film i przyciemnij pokój. Znajdź na telefonie film hologramowy — obraz podzielony na cztery części ułożone na czarnym tle w kształt krzyża — i ustaw jasność ekranu na maksimum. Wyłącz światło w pokoju lub zasłoń okna. Połóż telefon ekranem do góry na płaskim stole, wyśrodkuj piramidę wąskim końcem na środku ekranu i patrz na nią z poziomu stołu, z odległości kilkudziesięciu centymetrów. Obiekt z filmu zacznie unosić się w środku piramidy, widoczny z każdej strony inaczej, jakby naprawdę tam był.

Krok 5: Sprawdź geometrię. Odsuń się od piramidy i zbliż, zmień wysokość oczu, a następnie obróć telefon o 90°. Zauważysz, że obraz najlepiej wygląda, gdy patrzysz wprost na jedną ze ścian na wysokości oczu; gdy spojrzysz z góry, iluzja pryska i widzisz tylko cztery odbicia na przezroczystym plastiku.

Wyjaśnienie naukowe

Mimo nazwy w internecie, to, co zbudowałeś, nie jest hologramem w sensie fizycznym. Prawdziwy hologram, wynaleziony w 1947 roku przez Dennisa Gabora (Nagroda Nobla z 1971 roku), to zapis interferencji dwóch fal świetlnych — odniesienia i fali odbitej od obiektu — na kliszy lub w materiale światłoczułym. Odtworzony światłem laserowym odtwarza pełne pole fali, więc obraz ma prawdziwą głębię: możesz zajrzeć za przedmiot, poruszając głową. Piramida z folii wykorzystuje coś znacznie starszego — efekt zjawy, znany jako Pepper’s ghost, od nazwiska londyńskiego profesora John Henry Pepper, który spopularyzował go w latach 60. XIX wieku, rozwijając pomysł wynalazcy Henry’ego Dircksa.

Podstawą efektu jest częściowe odbicie światła na przezroczystej powierzchni. Kiedy światło pada na folię lub szybę, większość przechodzi dalej, ale około 4–8% odbija się, zgodnie z równaniami Fresnela opisującymi, jak odbicie zależy od kąta padania i współczynnika załamania materiału. Plastik o współczynniku załamania około 1,5 odbija pod kątem 45° kilka procent światła, a przy czarnym tle, jakie daje ekran telefonu, to wystarcza, by odbity obraz był wyraźny — dlatego pokój musi być ciemny. Prawo odbicia mówi, że kąt padania równa się kątowi odbicia, więc odbity obraz wygląda tak, jakby znajdował się za powierzchnią, w tej samej odległości co oryginał — jest to obraz pozorny. W piramidzie cztery ściany tworzą cztery takie obrazy, które zbiegają się w środku, a mózg interpretuje je jako jeden przedmiot unoszący się w bryle. To ta sama zasada, dzięki której lusterka w peryskopie z kartonu kierują obraz do oka, tylko że tu lustro jest półprzezroczyste i pozwala zobaczyć coś, co jest „za" nim.

Dlaczego film składa się z czterech widoków obiektu? Każda ściana piramidy odbija inny fragment ekranu, więc by obserwator z każdej strony widział prawidłowy obraz (przód, tył, lewy i prawy bok), animację przygotowuje się jako cztery obrócone o 90° kopie tego samego obiektu. To odpowiada za wrażenie przestrzenności, choć obraz pozostaje płaski i nie da się zajrzeć „za" obiekt tak jak w prawdziwym hologramie. Efekt Peppera stosuje się dziś na dużą skalę: tak powstawały „koncerty" nieżyjących artystów na festiwalach, wirtualni doradcy na lotniskach i wyświetlacze przezierne (head-up display) w samochodach i samolotach myśliwskich, gdzie odczyty prędkości odbijają się od przezroczystej szyby i wydają się pływać nad drogą. Podobnie jak przy polaryzacji światła , to właśnie kąt padania decyduje o tym, ile światła zostanie odbite, a ile przejdzie — to dlatego polaryzacyjne okulary tłumią odblaski na wodzie, a pod odpowiednim kątem piramida potrafi „wyciągnąć" obraz z ekranu.

Warianty

Piramida z większego ekranu. Powtórz doświadczenie z tabletem. Powiększ trapez proporcjonalnie (np. podstawa 10 cm, wierzchołek 2 cm, wysokość 7 cm) i porównaj jakość obrazu: większa piramida pozwala pokazać większy obiekt, ale wymaga jaśniejszego ekranu, bo odbity obraz jest słabszy.

Jedna szyba zamiast piramidy. Wytnij pojedynczy prostokąt folii i ustaw go pod kątem 45° przed ekranem tak, by patrzeć na niego z boku. Zobaczysz jeden lewitujący obraz, a gdy za folią umieścisz mały przedmiot, odbicie zaczyna się z nim nakładać — dokładnie tak, jak w oryginalnym teatralnym triku. Możesz porównać to z zagadką z zanikającą monetą , gdzie światło też „oszukuje" oko, tyle że przez załamanie, a nie odbicie.

Własna animacja. Utwórz prosty film w programie graficznym: czarne tło i biały kształt (np. obracająca się gwiazda) powtórzony cztery razy w układzie krzyża, z każdym obrazem obróconym o 90° względem sąsiada. Sprawdź, co się stanie, gdy tło nie będzie idealnie czarne — jasne obszary ekranu odbiją się równie mocno jak obiekt i zepsują iluzję.

Często zadawane pytania

Czy to jest prawdziwy hologram? Nie, to tzw. pseudohologram, oparty na odbiciu światła od przezroczystej folii. Prawdziwy hologram zapisuje interferencję fal świetlnych i odtwarza trójwymiarowe pole fali, dzięki czemu można zajrzeć za przedmiot, poruszając głową. W piramidzie obraz jest płaski, a wrażenie głębi wynika z odbicia pozornego i z tego, że cztery ściany pokazują cztery różne widoki obiektu.

Dlaczego efekt działa tylko w ciemnym pokoju? Folia odbija zaledwie kilka procent światła z ekranu, więc odbity obraz jest bardzo słaby w porównaniu z oświetleniem otoczenia. Jasne światło w pokoju odbija się od folii równie mocno, jak obraz z telefonu, i zalewa go szumem. W półmroku czarne tło filmu nic nie odbija, a jasny obiekt wyróżnia się wyraźnie, więc odbicie staje się widoczne.

Czy mogę użyć zwykłej folii spożywczej lub cienkiego woreczka? Lepiej nie, ponieważ miękka folia marszczy się i wypacza, a każde zagięcie zniekształca odbicie i rozmywa obraz. Potrzebny jest plastik sztywny i gładki, o grubości co najmniej 0,2 mm, bo wtedy ściana piramidy zachowuje płaską powierzchnię, a dwa odbicia od przedniej i tylnej strony nie rozdwajają obrazu zauważalnie. Dobrze sprawdzają się okładki na dokumenty, płaskie pudełka po biżuterii lub przezroczyste opakowania po elektronice.