Двадцать первое октября давно прошло: где ховерборды и голограммы, которые нам обещало кино?

Двадцать первого октября 2015 года Марти Макфлай прилетел в будущее, встал на ховерборд и удрал от хулиганов прямо по поверхности пруда. С того дня прошло почти одиннадцать лет, а ховерборда в спортивном магазине у дома так и нет. Голограммы из "Звездных войн", где крошечная принцесса Лея над столом просит о помощи, тоже где-то застряли. Видеозвонок теперь лежит в каждом кармане, только показывает он собеседника в стеклянном прямоугольнике, а над столом по-прежнему пусто и стоит кружка.

Хочется обидеться на инженеров: кино показывало все это так буднично, будто осталось только наладить выпуск. Но претензию стоит сначала проверить калькулятором. Возьмем для начала ховерборд и прикинем, что ему нужно, чтобы просто висеть над асфальтом с человеком на борту. Обида после таких подсчетов довольно быстро превращается в уважение к тем, кто все-таки пытался (а пытались многие).

Почему скейту так не хочется висеть

Нужно ему, как и любому висящему предмету, все время от чего-то отталкиваться. Вариантов у инженера три: отталкиваться от воздуха, от магнитного поля или от земли через что-нибудь твердое. Третий вариант человечество освоило давно и назвало его колесом, так что интересны первые два.

С воздухом все понятно на примере вертолета: гоним вниз массу воздуха и получаем силу вверх. Прикинем, во что это обходится для доски с человеком. Пусть вместе они весят сто килограммов (с курткой и рюкзаком), а площадь, через которую доска дует вниз, составляет полквадратного метра, это большой сноуборд с небольшим запасом. Теория винта для идеального случая дает мощность, равную весу в степени полтора, деленному на корень из удвоенной плотности воздуха, умноженной на площадь. Если подставить наши цифры, получается около 28 киловатт. Это для идеального двигателя, которого в природе не бывает, и реальные конструкции тратят раза в полтора-два больше, так что для оценки можно смело брать 40-50 киловатт.

Много это или мало? Такую мощность расходует небольшой автомобиль, который едет по трассе под сотню (электрический чайник на кухне обходится двумя киловаттами). Если запитать доску от аккумуляторов, на десять минут парения уйдет около восьми киловатт-часов, а это примерно тридцать килограммов литиевых ячеек под ногами. Катание превращается в силовую тренировку еще до того, как доска оторвалась от земли.

Остается еще звук, о котором в фильме почему-то никто не подумал. Устройство, которое отбрасывает вниз воздух с мощностью легковушки, поднимет с асфальта всю пыль квартала и сдует ближайшую собаку на соседнюю улицу. В фильме, если присмотреться, ховерборд не издает ни звука и даже не шевелит траву под собой.

Ближе всего к этой мечте подобрался француз Франки Сапата (в прошлом чемпион по гонкам на гидроциклах) со своим Flyboard Air на реактивных турбинах. В 2019 году он перелетел на нем Ла-Манш с одной дозаправкой посередине пролива. Работает эта штука на керосине, ревет примерно как небольшой аэродром и требует от пилота навыков, которых у Марти явно не было. Больше всего она похожа на реактивный самолет, у которого отобрали крылья и фюзеляж, а пилота поставили сверху.

Магниты и теорема, которая испортила всем праздник

Второй путь выглядит изящнее. Магнит отталкивается от магнита, значит, можно положить магниты в доску и в дорогу, и доска повиснет. План хороший, но в 1842 году англичанин Сэмюэл Ирншоу доказал теорему, после которой его можно убирать в ящик. Если сильно упростить, набор постоянных магнитов не умеет удерживать другой магнит в устойчивом равновесии. Доска будет либо падать, либо соскальзывать вбок, переворачиваться и с размаху прилипать к дороге обратной стороной. Это свойство самого магнитного поля, и подбором формы магнитов его не обойти (люди пробовали, и продавцы "левитирующих" сувениров до сих пор прячут в подставку электромагнит с датчиком положения).

Природа оставила две лазейки. Первая называется вихревыми токами: если над медным листом быстро вращать магниты, в меди наводятся токи, и по правилу Ленца их поле отталкивает магнит обратно. На этом принципе работал Hendo, ховерборд с Кикстартера 2014 года.

Внутри стояли четыре диска с вращающимися магнитами, зазор над полом был около двух с половиной сантиметров, а цена для первых покупателей составляла десять тысяч долларов (за эти деньги тогда можно было взять подержанную машину, у которой хотя бы есть колеса). Летал он, правда, только над специальной медной площадкой, а над асфальтом превращался в очень дорогую и очень шумную табуретку.

Вторая лазейка называется сверхпроводимостью. Сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле (эффект Мейснера, открытый в 1933 году), а некоторые материалы вдобавок цепко удерживают часть поля внутри, и магнит над ними замирает, будто его вклеили в прозрачный пластилин. В 2015 году Lexus показал доску Slide.

Внутри лежали сверхпроводники, охлажденные жидким азотом до минус 196 градусов (на сто тридцать градусов холоднее рекорда Якутии), а в скейтпарке под Барселоной под бетоном проложили дорожку из постоянных магнитов. Ролик получился эффектным и разошелся по всем новостным сайтам. В кадр не попали две подробности: азот выкипал примерно за двадцать минут, после чего доска опускалась на землю, как скейт без колес, а кататься можно было только там, где Lexus заранее закопал магниты.

Получается занятная картина, если сложить обе лазейки вместе. Левитировать над медью или сверхпроводником мы умеем уже давно, но для этого нужна специальная дорога, а доска, которой нужна своя дорога, по устройству ближе всего к поезду. Маглев в Шанхае возит пассажиров с 2004 года на скорости больше четырехсот километров в час (вся поездка до аэропорта занимает минут восемь). Если смотреть на вещи без предубеждений, это самый успешный ховерборд в истории: длиной в несколько вагонов, ценой в миллиарды и строго по одному маршруту в аэропорт.

Как у мечты отобрали имя

Отдельной строкой в этой истории стоит 2015 год, когда слово "ховерборд" отклеили от мечты и прилепили к двухколесному самобалансирующему скейту. Колеса у этого скейта были самые обычные и на каждом метре пути исправно касались асфальта, но маркетологи рассудили, что слово "гироскутер" продается хуже.

Довольно быстро выяснилось, что дешевые копии собирали на аккумуляторах с экономными контроллерами заряда, и доски начали загораться прямо в квартирах. Авиакомпании запретили брать их на борт, крупные магазины снимали с продажи целые партии, а в 2016 году американский регулятор отозвал больше полумиллиона штук. В 1989 году зрители переживали, что Марти свалится с доски в пруд. Никто тогда не предполагал, что настоящий ховерборд будет угрожать в первую очередь занавескам.

Голограмма, которой никогда не было

Сообщение принцессы Леи из фильма 1977 года, светящаяся фигурка над столом, которую видно со всех сторон, к голографии имеет очень отдаленное отношение. Голограммой физики называют запись интерференции света. На пластинку одновременно падают свет, отраженный от предмета, и опорный пучок от того же лазера, и в тонких полосках их интерференции сохраняется вся информация о световой волне, включая глубину. Деннис Габор придумал этот метод в 1947 году, Нобелевскую премию за него получил в 1971-м, а приличные голограммы появились только с лазерами в шестидесятых. Такая картинка действительно объемная, ее можно разглядывать под разными углами, но живет она внутри пластинки или прямо за ней, в пространстве, которое ограничено рамкой.

Откуда тогда у кино уверенность, что картинка спокойно повиснет посреди комнаты? Подозреваю, что от простоты спецэффекта, потому что физике такая фигура обходится куда дороже. Чтобы увидеть светящуюся точку в воздухе, нужно, чтобы из этой точки в глаз пришел свет. Лазерный луч в чистом воздухе сбоку не видно вообще, его замечают только в дыму или в пыли, потому что фотоны летят по прямой и сворачивать к зрителю не собираются (на концертах ради эффектных лучей специально пускают дым). Значит, в той точке, где должна висеть голова Леи, обязательно должно что-то находиться: туман, пылинка, струйка дыма или хотя бы ионизированный воздух.

Исследователи проверяли и эти варианты. В Японии фокусировали фемтосекундный лазер так, что в фокусе вспыхивала крошечная точка плазмы, и рисовали такими точками фигурки размером в сантиметр. В Университете Бригама Янга в 2018 году поймали лазером частицу и гоняли ее по воздуху так быстро, что глаз видел контур бабочки. Обе установки работают, обе занимают заметную часть лаборатории, и обе показывают картинку размером с ноготь. До принцессы в полный рост им примерно как от спички до прожектора на стадионе.

А как же Тупак на сцене

Обычно в этом месте вспоминают фестиваль Coachella 2012 года, где на сцену вышел давно погибший Тупак Шакур, и газеты хором написали про голограмму. На сцене работал фокус, которому к тому моменту исполнилось полтора века. Его называют призраком Пеппера (придумал его инженер Генри Диркс, а Пеппер довел до сцены): в 1862 году Джон Генри Пеппер показывал в Лондоне спектакль, где по сцене бродило привидение, а зрители на самом деле смотрели на отражение актера в огромном наклонном стекле.

В Калифорнии стекло заменили тонкой прозрачной пленкой, актера заменили компьютерной графикой с мощного проектора, а принцип сохранился до последнего градуса наклона. Получилась плоская картинка, которая очень убедительно притворяется стоящей на сцене, пока зритель смотрит строго из зала. Туда же отправляются вентиляторы со светодиодами на лопастях, которые продают как голографические экраны. Лопасть крутится быстро, мозг склеивает светящиеся полоски в картинку, и все это прекрасно работает спереди в полутемной комнате (сбоку зритель видит гудящий пропеллер).

Посчитаем настоящий голографический экран

Хорошо, допустим, от фигуры в воздухе мы отказались и хотим плоский экран, который показывает объемное изображение с правильным параллаксом, как настоящая голограмма. Сколько стоит такая роскошь? Тут все упирается в размер пикселя. Чтобы управлять направлением света, экран должен работать как дифракционная решетка, а угол, на который решетка отклоняет луч, зависит от ее шага. Для зеленого света с длиной волны около 0.5 микрона (к зеленому глаз чувствительнее всего) и угла обзора в шестьдесят градусов шаг пикселей выходит порядка половины микрона.

Экран размером десять на десять сантиметров с таким шагом содержит двести тысяч точек по каждой стороне, то есть сорок миллиардов пикселей. У обычного 4K-телевизора их восемь с небольшим миллионов, так что голографический дисплей размером с открытку сложнее большого телевизора примерно в пять тысяч раз. Если гнать в него видео с частотой шестьдесят кадров в секунду и восемью битами на точку, поток данных выйдет около двадцати терабит в секунду. Это почти в двадцать тысяч раз больше, чем дает домашний гигабитный интернет, и все ради котика размером с почтовую марку.

Поэтому существующие устройства хитрят. Дисплеи со световым полем, например Looking Glass, кладут поверх обычной матрицы лентикулярную линзу (ту же самую ребристую пленку, что на детских переливающихся открытках) и показывают несколько десятков ракурсов одновременно, каждый в свою сторону. Выглядит объемно и местами очень красиво. Разрешение при этом делится на число ракурсов, а картинка остается внутри рамки монитора, так что поставить ее на стол и обойти вокруг все равно не выйдет.

Что в итоге

Если сложить все вместе, ни ховерборд, ни голограмма не застряли из-за ленивых инженеров. Ховерборду нужна либо мощность небольшого автомобиля, либо специальная дорога, и мы построили оба варианта, просто назвали их вертолетом и маглевом. Голограмме нужна материя в каждой светящейся точке или экран с пикселями размером с длину волны света, и над обоими направлениями работают, медленно и очень дорого.

Зато кое-что из фильма сбылось почти дословно. Во второй части "Назад в будущее" Марти разговаривает с начальником по видеосвязи через огромный экран в гостиной, и видеосвязь сбылась с большим запасом: она бесплатная и есть в каждом телефоне. В той же сцене начальник увольняет Марти факсом, который выползает сразу из нескольких аппаратов по всему дому. Это предсказание, к счастью, не сбылось, хотя в некоторых бухгалтериях с этим до сих пор готовы поспорить.