說起最早的全息術（Holography），大家腦海中可能會不約而同浮現出科幻經典巨作《星球大戰》中萊娅公主發出的求救片段。這部電影上映于1977年，在當時有限的技術條件下，它用想象力和古早特效為人類創造了一個神話世界。而全息影像（Holographic display）作為其中極為重要的一個概念，直到四十多年後的今天，人類也還在追求探索和實作完善這項技術。
萊娅公主向盧克天行者和歐比旺發出求救全息影像， 來源：《星球大戰》
你也許會有疑問，全息投影技術（Front-projected holographic display）不是很早就有了嗎？對于嚴格意義上的全息來講，空氣即為物體成像的媒體。而現在我們日常所能接觸到的絕大部分“全息”，例如演唱會上已故歌手重回舞台，其實是應用了我們過往公衆号文章“‘全息術’帶你發現魔法世界的入口”中介紹過的佩珀爾幻象（Pepper’s Ghost）——這是一種“類全息投影技術”，需要借助全息膜、薄紗幕或霧氣等媒體，并且人們在某個特定角度才可以觀測到影像，是以它隻是一個平面而非真正的360度立體圖像。
鄧麗君在舞台上的全息投影， 來源：google
不過近期，《自然》和《科學》期刊同時在新聞版頭條報道了來自英國薩塞克斯大學（University of Sussex）研究人員介紹的一種多模态聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD），它有望讓科幻片中的全息影像變成現實。
MATD中的“全息”圖像， 來源：mittrchina.com
MATD顯示裝置并不複雜，隻要敲擊一下鍵盤，就能讓一顆2mm寬的懸浮顆粒——聚苯乙烯珠子（泡沫球）煥發生機。研究員能操作白色的斑點使其跳躍起來，在空中懸停、盤旋；再點選一下，小圓點就會在黑色的盒子裡打轉形成一個發光的彩色蝴蝶，它甚至還會扇動翅膀。
MATD裝置結構， 來源：youtube
蝴蝶在半空中變形和飛舞的背後，是一個相對簡單的裝置：在懸浮的顆粒上下有兩個由256個微型揚聲器組成的細長陣列，通過聲懸浮來完成對粒子的移動控制。LED發出的紅色、綠色和藍色光打在粒子上，将其高速移動所留下的軌迹映射出來，形成了我們肉眼所見的不斷演變的3D圖像。這便是之前公衆号文章（“漫舞”不慢，是你的眼睛沒能跟上）中提到的“視覺暫留”現象——因顯示系統在垂直和水準方向上操控的粒子速度分别高達8.75m/s和3.75m/s，而其實際移動距離隻有幾毫米到幾厘米，是以它的移動時間要遠遠小于我們視神經反應需要的時間（約1/16秒，且針對不同頻率的光反應時間會有一定差别），這個反應時長造成了視覺圖像在大腦中的滞後現象。
高速移動的粒子繪制出的倒計時與笑臉圖像， 來源：youtube
蝴蝶和笑臉或其他圖案，就這樣在空中被直接繪制出來，像用高速蝕刻機進行素描一樣。
揚聲器陣又是如何靠聲音來控制微小粒子實體形成懸浮圖像的呢？聲懸浮（Acoustic levitation），是一種利用來自高強度聲波的聲輻射壓力，使物質在重力作用下懸浮在空氣中的方法。
我們都知道聲音是一種波，它在空氣中傳播，同水波在水中傳播類似。不過水波是橫波，其振動方向與傳播方向垂直；而聲波是縱波，其振動方向就在傳播方向上。聲波的連續振動使空氣分子不斷交替的壓縮和松弛，導緻大氣壓迅速産生起伏，而處在聲場中的物體就會受到壓強差産生的力的影響。
駐波， 來源：wikipedia
上圖中，紅色與藍色分别代表兩個完全相同但傳播方向相反的波，黑色波是它們合成的結果。把紅藍兩列波的波幅相加，就産生了一條仿佛駐立在原地不動的波，這也是“駐波（Standing wave）”名稱的由來。
仔細觀察可以發現，黑色駐波上紅點位置的聲波振幅永遠為零，是以理論上壓強也為零，這些地方叫作“波節”；而那些振幅最大的地方稱為“波腹”，兩個波節間的距離，正好是原來聲波波長的一半。用駐波來懸浮物體，就是當波腹處産生的高壓強把物體推向低壓強區（波節）的力場，與懸浮粒子/水珠自身的重力達到平衡時，就能夠使其停滞在空中。
移動速度逐漸變快的粒子軌迹形成了MATD中的“全息”圖像， 來源：youtube
因為在MATD中快速移動着的粒子是輕盈但實體存在的物體，是以當你試圖伸手觸碰它的時候能夠産生實際的觸感——“觸感的感覺就像用加壓空氣輕輕噴灑你的手。”研究員在采訪中說道。在示範了全部的顯示效果後，關掉顯示器，拍打着翅膀的蝴蝶就消失了，留下了創造出它的珠子在顯示器底座上彈跳。
觸碰MATD中飛舞的蝴蝶， 來源：youtube
這些看似玄幻的科學原理總是精巧而簡單，世界上還有更多等着人們去探索的“魔術師禮帽”，讓我們一起期待未來能研究出更多像聲懸浮一樣令人興奮的科技魔術吧。
Reference:
https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_levitation
https://www.youtube.com/watch?v=tzWP-NL3Lck
https://www.youtube.com/watch?v=jOnxr9Ez_Kc
https://futurism.com/scientists-create-holograms-see-hear-feel
https://www.mittrchina.com/news/detail/3988
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編輯：just_iu