Сверхбыстрые фотографии света и будущие войны, как они связаны?

В 2024 году группа ученых из канадского Исследовательского центра телекоммуникаций (INRS) опубликовала в журнале Nature статью на казалось бы малопримечательную для неискушенного в тонкостях физики и теории света тему, посвященную созданию «самой быстрой в мире камеры», которая может снимать с поразительной скоростью — 156,3 трлн кадров в секунду.

Новая камера способна фиксировать события, длительность которых находится в пределах фемтосекунды. Если переводить сухие научные термины в более понятные категории, то можно сказать, что в одной секунде фемтосекунд столько же, сколько обычных секунд в 32 млн лет.

Свое изобретение, являющееся пока скорее не компактной камерой в привычном нам смысле, а сложным и относительно громоздким комплексом специальных линз и приборов, разработчики назвали «фемтофотографией в реальном времени с развернутой кодированной апертурой» (SCARF).

Принцип работы данного изделия в общих чертах заключается в том, что при помощи специального лазера издается очень короткий импульс, разбитый на небольшие вспышки с помощью специальной оптической системы.

Затем данные импульсы проходят через систему отражателей и линз принимающего устройства и фиксируются специальным датчиком «камеры». Исследователи указывают, что принцип работы их изделия схож с томографией.

Ученые в своей статье отмечают, что разработанное ими устройство и ряд технологических решений, включая алгоритмы обработки фиксируемой датчиками информации, будут крайне полезны во многих сферах, таких как физика, биология, химия и ряд других.

К примеру, утверждают исследователи, их «камера» позволяет увидеть механику ударных волн в живых клетках или термоядерный синтез.

Подобные достижения, утверждают разработчики аппарата, могут пригодиться в том числе и для разработки более эффективных методов диагностики и лечения заболеваний, а также создания новых препаратов.

Однако помимо сугубо мирных задач данное устройство потенциально может быть использовано и в других, гораздо менее травоядных целях. Например, уже сейчас различные исследователи в этой сфере утверждают, что подобные технологии могут обеспечить возможность обнаружения каких-либо предметов или людей в отсутствии прямого визуального контакта (например, выявить человека в каком-либо закрытом помещении через дверной проем или окно, что может совершить чуть ли не революцию в военной сфере и в области борьбы с террором).

Именно этот «военный» аспект данной технологии хотелось бы разобрать подробнее, поскольку в нашу эпоху мы являемся свидетелями колоссального сдвига в военных технологиях, который в ближайшие годы, а уж тем более десятилетия, способен кардинально изменить реалии на поле боя, где уже может и не найтись места традиционному в нашем понимании пехотинцу и где будут господствовать различные дроны, еще и способные обнаруживать своего противника за многие сотни метров даже вне прямой видимости.

Революционные технологии развиваются с революционной скоростью

Центр INRS начал развивать собственную технологию высокоскоростной съемки еще в 2014 году. За прошедшие годы исследователям удалось последовательно увеличить скорость съемки со 100 млрд кадров в секунду (камера CUP) до 10 трлн (T-CUP) и 70 трлн (CUSP).

Наконец, в 2024 году ученые представили новую модификацию своей платформы — SCARF, вышедшую на скорость съемки в 156,3 трлн кадров в секунду.

При этом еще в 2018 году ведущий разработчик данного аппарата из INRS Цзиньян Лян отмечал, что «мы уже видим возможности для увеличения скорости до одного квадриллиона кадров в секунду» (т. е. тысячи триллионов).

Следует отметить, что эти исследования вовсе не находятся на периферии мировых научных изысканий, что, впрочем, и невозможно, учитывая объем необходимых для них финансовых затрат.

Разрабатывают технологии фемтофотографии ученые из крупнейших и престижнейших исследовательских центров США, включая Массачусетский технологический институт, Калифорнийский технологический институт, университет Вашингтона в Сент-Луисе и другие.

Для того чтобы понять, чем именно занимаются подобные исследовательские команды, попытаемся разобраться в общих принципах работы и «мирных» перспективах использования данных технологий.

В этой связи обратимся к относительно доступному описанию работы первых итераций сверхбыстрой камеры CUP (compressed ultra-fast photography), которое было опубликовано на сайте НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ (НИИЯФ МГУ).

Согласно описанию НИИЯФ МГУ, на которое мы будем опираться, поскольку столь серьезное научное учреждение не может относиться несерьезно к точности перевода наукоемкого текста на иностранных языках, данная камера, ставшая прообразом последующих версий устройства, позволяет ученым запечатлевать ход крайне быстротекущих процессов и явлений, в частности, движение и отражение от зеркала импульса лазерного света.

Камера CUP в отличие от скоростных камер условно предыдущего поколения, которые хоть и являются весьма быстрыми, но могут производить съемку лишь одинаковых чередующихся событий, способна вести съемку в режиме «реального времени», то есть снять непосредственно сразу всё то, что попадает в поле зрения линз аппарата.

На сайте учреждения следующим образом описывается процесс «фотографирования» света этим сверхсложным аппаратом: «Камера фотографирует объект при помощи специального сложного объектива, который проводит фотоны света через ряд преобразований к поверхности небольшого устройства».

«Это устройство, digital micromirror device (DMD), — указано на сайте НИИ, — и является „сердцем“ всей камеры. Оно имеет размеры, сопоставимые с размерами небольшой монеты, но на его поверхности находится около 1 миллиона крошечных согласованных микрозеркал, размеры каждого из которых составляют 7 на 7 микрометров».

При поступлении света на эти микрозеркала, продолжают описание на портале НИИ, они преобразуют его в пикселы, при этом удаляя те из них, которые несут в себе избыточную информацию.

Оставшаяся же после этой процедуры часть отраженного света направляется на датчики камеры, где при помощи двух электродов происходит превращение фотонов, то есть частиц света, в электроны, обладающие различной энергией (скоростью движения).

Далее в дело вступают алгоритмы компьютерной обработки полученной датчиками камеры информации, в результате чего происходит так называемое цифровое восстановление изображения.

Полученные изображения не являются фотографией в привычном нам смысле, однако такой информации «вполне достаточно для того, чтобы увидеть процесс отражения света, процесс изменения скорости и траектории движения света в момент пересечения границы между двумя разными средами, и многие другие процессы, которые происходят быстрее, чем могут двигаться фотоны света».

Кратко описав общие принципы действия подобных сверхбыстрых камер, зададимся вопросом — каково возможное практическое применение этих технологий, или же пока что это не более чем абстрактные техноэксперименты?

Оказывается, что такие перспективы весьма обширны и уже сейчас, на экспериментальном этапе развития данной технологии, рисуются довольно конкретно.

Любые мирные технологии будут при возможности обращены на дело войны?

Многочисленные публикации, посвященные теме фемтофотографии, говорят о том, что развитие такой технологии открывает новые перспективы в изучении микромира.

В перспективе, считают ученые, фотография на подобных скоростях может позволить выявить еще не обнаруженные секреты взаимодействия света и материи.

К примеру, исследователи рассчитывают на то, что при помощи своих камер они смогут изучить такие явления, как ударные волны, проходящие сквозь материю или живые клетки.

Кроме того, утверждают ученые, созданные ими камеры могут использоваться для изучения различных физических и биологических процессов, таких как генерация лазерной плазмы и ультрафиолетовая флуоресценция, а также процессы в живой клетке или движение молекул.

Фемтофотография может в итоге позволить улучшить методы медицинской визуализации, что приведет к более точной диагностике заболеваний. Закономерным также будет и появление на основе данной технологии нового поколения микроскопов для биомедицины и материаловедения.

Однако даже при перечислении всех этих «мирных» перспектив развития подобных технологий среди прочего упоминается также и то, что сверхбыстрые камеры могут визуализировать процесс преломления света вокруг структур метаматериалов, из которых изготавливают сейчас многочисленные устройства сокрытия, к примеру, различного рода «плащи-невидимки».

Стоит ли говорить о том, что тема специальных материалов, из которых могли бы изготавливаться плащи и накидки, способные скрывать человека, технику, позиции от взора приборов ночного видения и тепловизоров, для современной войны является архиважной, и от ее дальнейшего развития напрямую будет зависеть степень выживаемости личного состава на поле боя.

Более того, специалисты в сфере безопасности уже заявили, что рассчитывают на способности подобных камер фиксировать объекты, которые не находятся в прямой видимости, то есть буквально обнаруживать противника из-за угла (видеодемонстрация).

На данный аспект нужно обратить особое внимание, поскольку он, на наш взгляд, является ключевым.

Довольно внятно и подробно перспективы применения технологии фемтофотографии в этом интересующем нас ракурсе были описаны еще в 2012 году учеными из Массачусетского технологического института (MIT).

Тогда созданная этой командой исследователей суперкамера была способна снимать со скоростью около 1 триллиона кадров в секунду, то есть за прошедшие годы уже много воды утекло и технологии, как мы видим, успели сделать радикальный скачок вперед.

Ученые из MIT не говорят напрямую о военном потенциале данной технологии, однако в своем материале под названием «Заглядывание за угол при помощи фемтофотографии» указывают, что «мы создали камеру, которая может заглядывать за углы и за пределы прямой видимости. Камера использует свет, который проходит от объекта к камере косвенно, отражаясь от стен или других препятствий, для трехмерной реконструкции».

Излучаемый специальным устройством лазерный импульс, раскрывают схему работы своего устройства ученые, попадает в то или иное помещение, в том числе посредством отражения от какой-либо плоскости, после чего свет, постоянно рассеиваясь, возвращается обратно и фиксируется камерой.

Несмотря на постоянное рассеивание света, отмечают исследователи, небольшая часть фотонов в конечном итоге достигнет камеры, причем каждый раз в несколько различное время.

Благодаря сверхвысокой скорости съемки камера вычисляет время, необходимое свету для прохождения того или иного расстояния, благодаря чему такая информация может быть использована для реконструкции формы объектов, находящихся вне прямой видимости.

«Мы все знакомы с явлением звукового эха, но мы также можем использовать и световое эхо», — отмечает руководитель исследовательской группы в MIT Рамеш Раскар.

Ученые описывают немало сценариев применения такой технологии, к примеру, в медицинской диагностике, а именно при различных эндоскопических процедурах, когда обычным инструментом для этих манипуляций тяжело достать до труднодоступных мест (кардиоскопия, колоноскопия и бронхоскопия).

Пригодятся эти технологии и при спасательных работах, когда пожарные могли бы при помощи специальных сканеров дистанционно получать трехмерную модель скрытых помещений, оперативно выявляя те локации, в которых находятся люди.

Более того, метод фемтофотографии может быть незаменим в деле повышения ситуационной осведомленности беспилотного транспорта, например, для предотвращения столкновений на слепых поворотах или в иных подобных ситуациях.

Но все-таки главное, что нас интересует, — это способность при помощи данной технологии реконструировать трехмерную модель пространства, скрытого от прямого взора человека.

Колоссальные военные перспективы применения подобной технологии очевидны. Только представим себе, как боец подразделения антитеррора, приближаясь к подлежащему штурму объекту, в котором скрываются террористы, при помощи специального устройства, расположенного у него, к примеру, на боевом шлеме, может с безопасного расстояния «просветить» различные помещения, расположенные на объекте, оперативно получив их трехмерную модель с указанием всех находящихся там вооруженных и безоружных лиц, то есть сразу поняв, где находятся заложники, а где преступники.

Или же, взяв за основу реалии боевых действий на Украине, представим небольшую дистанционную роботизированную колесную платформу, которая, незаметно приблизившись к вражескому окопу, «просветит» те или иные участки позиций, блиндажи и укрытия, выявив, где скрывается личный состав противника, после чего оператор может принять решение, например, о направлении на этот участок колесного дрона с противотанковой миной на нем для уничтожения врага.

Но можно пойти далее и представить, что такое сканирующее устройство расположено на компактном летающем дроне, который может лететь впереди штурмовиков и оперативно выявлять скрытые огневые точки противника, либо просто проводить разведку на незнакомой местности.

Несомненно, пока что подобные сценарии в немалой степени выглядят фантастическими, поскольку сейчас устройства, предназначенные для фемтофотографии, крайне громоздки и несовершенны, однако тот огромный военный потенциал, который заключается в этой технологии, вполне явно просматривается уже сейчас, а значит они будут стремительно развиваться.

Учитывая же скорость научно-технического прогресса в наши дни, вряд ли вопрос о претворении подобных частично фантастических предположений в реальность займет десятки лет.

В конце концов, конфликт на Украине вновь продемонстрировал банальную истину о том, что «генералы всегда готовятся к прошедшей войне», поскольку сейчас уже очевидно, что характер современных боевых действий будет радикально отличаться от всех предыдущих крупных и не очень войн.

Причем сегодня мы, по сути, находимся только в самой начальной точке масштабной трансформации методов и средств ведения войны, особенно в части того, что ныне принято называть «войной дронов».

И если, с одной стороны, на стратегическом и оперативном уровне «туман войны» развеивают такие современные технологии, как космическая разведка и защищенная спутниковая связь, то непосредственно «на земле» все более активную роль играют дроны всех мастей, а в перспективе, видимо, к ним добавятся и новые методы сканирования местности с целью обнаружения врага.

Метод фемтофотографии, возможно, станет той ключевой технологией, на основе которой будут реализовываться различные сценарии проведения разведки и выявления врага на поле боя.

Многочисленные же открытые научные исследования (а есть ведь еще и закрытые) уже сегодня могут дать хотя бы примерную картину того, с чем человечество может столкнуться в ближайшие годы.

К сожалению, мало кто в наши дни преисполнен уверенности в том, что ближайшие десятилетия станут временем мира и спокойствия на нашей планете.

А значит, любые мирные технологии, которые можно обратить на дело войны, будут направлены в это русло.

Но в современной высокотехнологичной войне цена отставания будет крайне высокой, если не сказать фатальной, а быстро преодолеть технологическое отставание в подобных наукоемких сферах невозможно, поэтому на повестку дня всё более явно встает вопрос: к каким войнам мы готовимся и как мы в них планируем побеждать, или хотя бы не проигрывать.