Fizyka w grach okiem inżyniera #11. Światło

Oświetlenie jest jedną z ważniejszych kwestii, jaką należy uwzględnić podczas pracy nad wizualnym aspektem gry. Szczególnie dotyczy to poziomów osadzonych w małych, zamkniętych lokacjach, gdzie dobre ustawienie źródeł światła zapewnia odpowiednią ekspozycję konkretnej sceny, przez co jeszcze bardziej zapada ona w pamięci gracza. O oświetleniu w grach znów zaczęto rozmawiać przy okazji pojawienia się na rynku kart graficznych oferujących wsparcie dla Ray Tracingu. Nie, nie będzie to kolejny artykuł o tym czym jest ta technika i co oferuje - światło w grach to nie tylko dynamiczne oświetlenie.W ramach serii niejednokrotnie poruszałem temat szeroko pojętej energii, a jednym z jej rodzajów jest ta uzyskiwana na skutek oświetlenia jakiegoś obszaru. Można to wykorzystać choćby do wytworzenia energii elektrycznej za pomocą paneli fotowoltaicznych. Samo światło, rozumiane jako strumień cząstek zwanych fotonami lub widzialna fala elektromagnetyczna to dość szerokie zagadnienie, które poruszane w grach na różne sposoby. Ile z tego jest jednak prawdą?Roje Kryllu, latających jednostek, które zalewają przeciwników, zwiastują nadejście Szarańczy, humanoidalnych istot przypominających dobrze znanych orków. W Gears of War po raz pierwszy natrafiamy na Kryll podczas przechodzenia drugiego aktu. Okazało się, że te latające paskudy rozpuszczają się (dosłownie) w promieniach słonecznych, stąd pomysł na zamontowanie reflektora emitującego wiązkę światła ultrafioletowego. Podobną, jednak znacznie bardziej śmiercionośną i uniwersalną wiązką dysponują Kolossusy dostępne w Legacy of the Void, dodatku poświęconym Protosom w StarCrafcie 2.Kwestię światłamożna rozpatrywać na dwa sposoby. W rozumieniu potocznym to po prostu światło widzialne, czyli część promieniowania elektromagnetycznego, które jest widoczne dla ludzkiego oka. Według podręczników do fizyki zakres tej części promieniowania to fale o długości od 380 do 780 nanometrów. W praktyce nie da się dokładnie określić tej wartości, bo każdy człowiek ma mniej lub bardziej wrażliwy wzrok.Z punktu widzenia nauk ścisłych światło rozpatrujemy jako promieniowanie optyczne, czyli takie, które podlega zarówno prawom optyki geometrycznej, jak i falowej. Takie rozumienie rozszerza zakres długości fal elektromagnetycznych, na jakich możemy operować od 100 nanometrów do nawet 1 milimetra, przez co do światła widzialnego dołącza podczerwień i wspomniany już ultrafiolet.

Obecnie postrzega się to jeszcze inaczej, bo wraz z początkiem XX wieku i rozwojem badań nad mechaniką kwantową, światłu zaczęto przypisywać też zjawiska, którym do tej pory ulegały tylko cząstki. Mowa tu o dualizmie korpuskularno-falowym, według którego światło to jednocześnie fala elektromagnetyczna i strumień fotonów. Takim strumieniem fotonów jest też wiązka lasera, której poświęciłem oddzielny wpis. I podobnie jak w tamtym przypadku, tu również mamy do czynienia z tym samym problemem - powierzchniową gęstościąenergii.

W skrócie chodzi o takie dobranie parametrów - czasu trwania procesu, mocy urządzenia i wielkości powierzchni, z którą chcemy oddziaływać - by osiągnąć jak najlepszy rezultat, czyli w naszym przypadku unieszkodliwić cel. Taka broń została ponoć użyta przez starożytnych Greków w trakcie obrony Syrakuz przed Rzymianami. Według legendy twórca takiego rozwiązania, Archimedes, przygotował kilkanaście luster (choć bardziej prawdopodobne wydają się wypolerowane miedziane płyty) skupionych w jednym punkcie, które “zbierały” promienie słoneczne. Wytworzone w ten sposób ciepło miało wystarczyć do podpalenia wrogich statków, co miało się przełożyć na zwycięstwo w bitwie. Nie powiem, brzmi to całkiem wiarygodnie, ale czy światło słoneczne odbite od luster mogłoby podpalić statek?Greckiemu naukowcowi, Ioannisowi Sakkaskiemu, udało się potwierdzić taką wersję w eksperymencie przeprowadzonym w latach 70. ubiegłego wieku. Użył do tego 70 luster z powłoką miedzianą o wymiarach 1,5 na 1 metr. Gdy promienie ze wszystkich luster udało się skupić w jednym miejscu,drewniana łódź bardzo szybko stanęła w płomieniach. Podobny eksperyment próbowano przeprowadzić w „Pogromcach mitów” (ktoś pamięta?) - w jednym z odcinków użyto powłoki złożonej z kilkudziesięciu mniejszych zwierciadeł. Lekkie zwęglenie kałuba udało się osiągnąć dopiero przy bezchmurnym niebie i po dziesięciu minutach, gdy model nie poruszał się. Warto też dodać, że w przypadku pierwszego eksperymentu deski, z których zrobiony był statek, zostały pokryte smołą. Nie jest to aż tak nierealne, bowiem okręty z epoki uszczelniano żywicą lub właśnie smołą, więc teoretycznie przy odpowiednim natężeniu promieni dałoby się wyrządzić tym komuś krzywdę. W końcu temperatura zapłonu dla drewna to 300 stopni Celsjusza - człowiek narażony na taką ilość ciepła skończyłby z bardzo poważnymi oparzeniami.Chcąc stworzyć skuteczną broń wysyłającą wiązki światła przy użyciu dostępnej obecnie technologii, wykorzystalibyśmy fakt, o którym pisałem wcześniej - światło to fotony, czyli cząstki. Dziś nie jest problemem przyspieszenie cząstek elementarnych (protony, elektrony) lub nawet całych atomów do prędkości zbliżonej do prędkości światła w próżni, czyli zawrotnych 299 792 458 metrów na sekundę. Kłopoty zaczynają się, gdy chcemy skierować taką pędzącą wiązkę w żądanym dla nas kierunku. Akceleratory cząstek to wielkie struktury składające się z kilku pomieszczeń i ciężko byłoby wykorzystać cały kompleks jako broń. Możliwe, że w przyszłości uda się uprościć cały proces, ale na razie to niemożliwe.Inna kwestia to przydatność takich wiązek. Składałyby się one głównie z cząstek elementarnych, które owszem, byłyby przyspieszone do bardzo dużej prędkości, ale ciągle mówimy tutaj o pojedynczych atomach.

Taka wiązka może na przykład sprawić, że cel (oczywiście żywy) zachorowałby na chorobę popromienną lub wzrosłoby u niego ryzyko wystąpienia nowotworu. Oczywiście ekstremalna dawka mogłaby doprowadzić do śmierci nawet w ciągu kilku minut, ale wygenerowanie jej byłoby niezwykle kosztowne. Pocisk wystrzelony ze współczesnej broni palnej zadziała znacznie szybciej i będzie o niebo skuteczniejszy.Granaty błyskowe czy hukowe nie są niczym niezwykłym w grach wideo i większość militarystycznych strzelanek posiada jakąś formę tego gadżetu. Nie inaczej jest też w Rainbow Six Siege, w którym jedna z operatorek, Ying (Ćma), posiada specjalny rodzaj takich granatów. Candela działa na podobnej zasadzie, co standardowy ładunek oślepiający, ale zamiast jednego rozbłysku generuje ich kilka w krótkim odstępie czasu. Daje jej to znaczną przewagę nad innymi operatorami, a w połączeniu z resztą drużyny jest w stanie przeprowadzić szybki i skuteczny atak, nie dając obrońcom szans na reakcję. Według danych Candelę można stosować również jako minę, a całe urządzenie zbudowano w oparciu o magnez i rtęć.„Flashbangi” kojarzą się nam głównie z oddziałami specjalnymi, które używają ich podczas akcji uwalniania zakładników. To jak najbardziej słuszne skojarzenie, bowiem to właśnie do wyposażenia brytyjskiej jednostki specjalnej SAS (Special Air Service) weszły jako pierwsze. Komandosi potrzebowali czegoś, co na kilka sekund wyłączy napastników z walki, nie raniąc przy tym zakładników. Właśnie, z tym nie ranieniem nie jest do końca tak, jak to ukazują gry czy ogólnie popkultura.Granat ogłuszający to typowy granat zaczepny, który podczas eksplozji generuje minimalną ilość odłamków. Wszystko dzięki otworom w skorupie, przez które wydobywa się dźwięki i błysk - sam korpus pozostaje nienaruszony. Nie zmienia to jednak faktu, że sam proces eksplozji wytwarza ciepło, co może doprowadzić do poparzenia lub pożaru, o czym boleśnie przekonali się komandosi SAS podczas operacji Nimrod. Akcja polegała na uwolnieniu pracowników irańskiej ambasady w Londynie. Podczas operacji użyto „flasbangów” do rozbrojenia przeciwników, ale w wyniku eksplozji w jednym pomieszczeniu wybuchł pożar. Od tamtej pory zaczęto przykładać większą wagę do tego jak i gdzie używa się takich granatów, co oczywiście podczas działań polowych nie zawsze jest możliwe do przewidzenia. Inne zagrożenie to częściowe lub nawet całkowite uszkodzenie słuchu bądź wzroku, ale tylko wtedy, gdy cel znajduje się zbyt blisko miejsca eksplozji.Ładunek wybuchowy składa się z dwóch materiałów - metalu reaktywnego i utleniacza - których waga nie przekracza zazwyczaj 4,5 grama. W odróżnieniu od standardowych granatów te ogłuszające eksplodują nie dzięki detonacji a deflagracji, czyli powolnemu rozkładowi materiału wybuchowego, rozprzestrzeniającego się z prędkością mniejszą od prędkości światła w danym ośrodku. Proces ten jest bardzo gwałtowny i znacznie bardziej „widowiskowy” niż w przypadku standardowego spalania materiału wybuchowego - deflagracji towarzyszą iskry (czasem nawet płomienie) i efekt dźwiękowy. Wszystko to dzięki materiałom deflagrującym, z których zostało wykonane wnętrze granatu; metal reaktywny to zazwyczaj magnez (granat Ying też go w sobie posiada), a rolę utleniacza pełni nadchloran amonu. Na lekcjach chemii w liceum na pewno spaliliście opiłki magnezu - płomień był niebieski, a samemu procesowi towarzyszyło wytwarzanie się białego światła i charakterystyczne skwierczenie.Za co z kolei odpowiadałaby rtęć, której rzekomo użyto do stworzenia Candeli? Przede wszystkim w żadnym wypadku nie nadaje się jako substytut metalu reaktywnego - rtęć nie jest palna, a podczas wystąpienia pożaru wydziela bardzo silne toksyny. Znacznie bardziej prawdopodobne wydaje się wykorzystanie soli kwasu piorunowego i rtęci (rtęć piorunującą) właśnie jako materiału inicjującego wybuch. Iidealnie nadaje się do zastosowania w granatach ogłuszających, których siła wybuchu powinna być z zasady mniejsza. Energia wybuchu uzyskiwana z jednego kilograma piorunianu rtęci (II) to półtora megadżuli. Z takiej samej ilości prochu bezdymnego, wykorzystywanego przy produkcji naboi, uzyskamy aż 2,8 megadżuli.Candela przedstawiana jest jako zamknięta całość - brak otworów na wydostanie się błysku i dźwięku - więc podczas eksplozji zamiast snopem światła zasypie przeciwnika gradem odłamków. Fakt, nie będzie to też zbyt silna eksplozja, ale wytworzy bardzo dużo ciepła, więc powstałe odłamki będą jeszcze niebezpieczniejsze. Istnieje jednak powód, dla którego granat wygląda w taki a nie inny sposób. Główną zaletą gadżetu używanego przez Ying jest to, że wybucha seriami, zalewając przeciwników falami światła, co normalnie jest trudne do osiągnięcia, bo jednak większość współczesnych konstrukcji oferuje tylko jednoetapowy wybuch. Najprawdopodobniej Candela to po prostu ładunek kasetowy, w którym znajdują się mniejsze granaty odpalane jeden po drugim za pomocą zapalników sterowanych jakimś układem automatycznym. Teoretycznie jest to możliwe do zrobienia, ale koszt takiego grantu (a zwłaszcza tego układu odpowiedzialnego za sterowanie eksplozję ładunków we właściwej kolejności) jest zbyt wysoki, by armia była nim zainteresowana. Jednostki specjalne lub prywatni odbiorcy pokroju firm ochroniarskich (najemnicy) mogliby być zainteresowani Candelą, ale używany byłyby na tyle rzadko, że trzeba by zadać sobie pytanie o sens takiego urządzenia.W Split od polskiego studia Woodland Games (tytuł będzie miał swoją premierę w tym roku), który łączy w sobie elementy gry logicznej rodem z Portala i stylistykę przypominającą Control, czyli nowe dziecko Remedy, przenosimy się do wnętrza systemu odpowiedzialnego za kontrolowanie ludzkich potrzeb. Po co zatrudniać pracowników fizycznych skoro wszystkie aspekty naszego życia może kontrolować system? Główny bohater gry (haker, jakże by inaczej) wyposażony jest w specjalny miotacz cząstek, który wysyła informacje do konkretnych podzespołów tego systemu, by łatwiej było mu się po nim poruszać. Informacje te mają formę wiązek światła i błyskawicznie oddziałują ze wszystkimi przełącznikami.Przekazywanie informacji za pomocą światła nie jest niczym nowym i wykorzystuje się to obecnie w światłowodach. Transmisja danych odbywa się poprzez wysłanie odpowiednio zmodulowanego (zmodyfikowanego) sygnału, którego źródłem może być laser albo dioda LED. Mogło się Wam obić o uszy, że światłowód działa dzięki wykorzystania zasady całkowitego wewnętrznego odbicia. Jak wynika z optyki geometrycznej (a konkretnie prawa Snelliusa), każdy promień świetlny padający na granicę dwóch ośrodków rozdziela się na promień odbity i załamany. W światłowodzie, chcąc zachować “cały” promień, wykorzystuje się odpowiednie zmiany współczynnika światła, zapobiegając tym samym wydostawaniu światła przez ścianki. Jednak w światłowodach jednomodowych (obecnie tych najbardziej powszechnych, ponieważ umożliwiają przesyłkę danych na dalekie odległości) światła nie rozpatruje się jako promień, a falę. Stosowanie praw optyki geometrycznej ma sens tylko wtedy, gdy światłowód jest szeroki i wykorzystuje się go do przekazywania danych na krótkie odległości.Mimo że mówimy tutaj o rozchodzeniu się światła to w światłowodzie wcale nie porusza się ono z prędkością “c” (około 300000000 metrów na sekundę), a jedynie 200000000 metrów na sekundę. Co za różnica - powiecie - skoro to i tak bardzo duża prędkość? Zgadza się, ale przesyłanie danych z prędkością zbliżoną do prędkości światła (najlepiej byłoby z większą, ale Szczególna Teoria Względności wyklucza jej przekroczenie) umożliwiłoby nam budowanie szybszych, bardziej wydajnych komputerów i komunikację na niespotykanym dotychczas poziomie. Słyszeliście o splątaniu kwantowym?

Mając do dyspozycji dwie cząstki, możemy z nimi zrobić - uwaga, uwaga - nic, co jest raczej zrozumiałe, bo niby czemu jedna miałaby być w jakiś sposób zależna lub połączona z drugą. Gdy jednak w jakiś sposób uda się nam doprowadzić do splątania tych dwóch elementów (nie jest ważne w jaki sposób do tego dojdzie) to dokonując pomiaru jednej splątanej cząstki od razu dostawalibyśmy informacje o stanie tej drugiej. To o tyle istotne, że jeśli splątane cząstki dzieliłaby bardzo duża odległość (na przykład znajdowałyby się na dwóch krańcach galaktyki), to mierząc stan jednej praktycznie od razu wiedzielibyśmy, co dzieje się z drugą. Gdzie leży problem? Informacja o aktualnym stanie kwantowo splątanych cząstek nie dają nam absolutnie nic, bo nie jesteśmy w stanie nic z nimi zrobić. Uzyskiwane w ten sposób dane przypominałyby alfabet Morse’a lub kod binarny (zero-jedynkowy), ale byłyby wysyłane losowo, bez większego sensu. Wynika to z faktu, iż nie jesteśmy w stanie opanować stanu danej części materii, to jest wymusić na niej, by w tym konkretnym momencie miała żądaną przez nas wartość lub znak. Oczywiście możemy próbować, ale wtedy ryzykujemy zerwaniem splątania. Najlepiej byłoby wyposażyć rozmówców w dodatkowy kanał komunikacji, który umożliwiłby rozszyfrowywanie otrzymywanych informacji, ale to wyklucza przesyłanie danych i wiadomości z prędkością światła.O ile sama Split przedstawia dość tradycyjny obraz hakera, w którym osoba “wchodzi” do wnętrza systemu, to szybkie przesyłanie informacji za pomocą sygnałów świetlnych jest jak najbardziej możliwe. Może daleko nam jeszcze do prawdziwych komputerów kwantowych, ale hej - zawsze mamy światłowód, co nie? I może nawet Stadię uda się na nim odpalić - szkoda, że nie w Polsce…W Barotraumie, grze powstającej dzięki kooperacji dwóch finlandzkich studiów, FakeFish i Undertow Games, wcielamy się członków załogi łodzi podwodnej. Przemierzają głębiny Europy, jednego z księżyców Jowisza. Naturalny satelita tej planety składa się w większości z wody - pod lodową skorupą znajduje się ocean, którego głębokość szacuje się na 90 kilometrów. Sama gra to dość skomplikowany symulator, a w trakcie wypraw natrafimy na różne niebezpieczeństwa, w tym żyjątka morskie, które nie są zbyt przyjaźnie nastawione do intruzów w swoim oceanie.W Układzie Słonecznym znajduje się kilka planet, ale czemu tylko na Ziemi pojawiły się rośliny, zwierzęta i w konsekwencji ludzie? W pierwszej części cyklu wspomniałem o strefie złotowłosej (zamieszkania), czyli takiej odległości planety od gwiazdy (Słońca), dzięki której zaistniały warunki fizyczne i chemiczne do powstania, utrzymania i rozwoju formy życia przypominającej ziemskie. Każda gwiazda posiada taką strefę, a jej wielkość jest ściśle powiązana z rozmiarem Słońca. Wspomniałem wtedy również o tym, że wszystko rozchodzi się o wodę i o to, by była ona w stanie ciekłym, bowiem w kosmosie występuje zazwyczaj w formie lodu lub pary wodnej. Zatem czy fińscy deweloperzy za bardzo (hehe) popłynęli z tą wodą pod powierzchnią Europy?Nie do końca, bowiem według badań przeprowadzonych przez naukowców z amerykańskiego uniwersytetu Yale, odległość planety od gwiazdy centralnej nie jest aż tak istotna dla powstania życia na danej planecie. Równie ważna zdaje się zdolność do samoregulacji wewnętrznej temperatury ciała niebieskiego, a ta, jak dotychczas sądzono, zapewniana jest przez osłonę konwekcyjną. Sam proces, konwekcja, związany jest z przekazywaniem ciepła w wyniku ruchu materii w gazie lub cieczy. Można go też jednak rozumieć jako ruch samej materii w wyniku różnicy temperatur, co prowadzi do przenoszenia się ciepła. I właśnie to drugie znaczenie jest kluczowe z punktu widzenia osłony konwekcyjnej. Krótko po uformowaniu planety może być ona zbyt zimna lub zbyt gorąca - w ciągu dnia temperatura sięga kilkudziesięciu stopni celsjusza, tylko po to by w nocy spadła grubo poniżej zera.Jednak według wspomnianych badań planeta od początku musi posiadać odpowiednią temperaturę wewnętrzną i nie zależy to od obecności w strefie złotowłosej czy osłony konwekcyjnej. Wszystko co przez miliony lat wykształciło się na naszej planecie nie byłoby możliwe, gdyby nie jej wewnętrzna temperatura, która od początku nie była ani za wysoka, ani zbyt niska. Podobnie zdaje się być z Europą, która mimo że znajduje się daleko poza strefą zamieszkania, posiada wodę. Wszystko dzięki rozpadom promieniotwórczych izotopów w jądrze księżyca, które generują bardzo dużo ciepła. Wciąż nie jest ono wystarczające do utrzymania całego oceanu w stanie płynnym, w zupełności jednak wystarcza do wytworzenia się na dnie zbiornika kominów hydrotermalnych, które nie dość, że utrzymują całość w formie cieczy, to możliwe, iż zapewniają warunki do narodzin życia. Niektóre hipotezy sugerują, że to właśnie w takich warunkach powstały pierwsze żyjące istoty na Ziemi - oczywiście w formie mikrobów, ale zawsze to jakiś początek, prawda?

Barotrauma wystartowała niedawno we wczesnym dostępie i nie jest najładniejszą grą w jaką grałem, ale sama koncepcja przemierzania podwodnych głębin za pomocą łodzi rodem z Silent Huntera wydaje się całkiem prawdopodobna. I kto wie, może pewnego dnia tak właśnie będzie, a nasi następcy będą budować wielkie, podwodne miasta, walcząc przy okazji z tamtejszą fauną wielkości legendarnych lewiatanów czy innych krakenów. Na razie pozostają nam badania i ciągłe skany księżyca, by przed ewentualną ekspedycją być gotowym na absolutnie wszystko.Światło to dość obszerne zagadnienie, które, mam nadzieję, stało się teraz nieco bardziej (hehe) jasne. Oprócz tego, że bez światła dalsze życie na naszej planecie nie byłoby możliwe, coraz częściej wykorzystuje się je w technice, choćby w światłowodach. W grach wideo znalazło się nawet miejsce dla kilku gadżetów czy koncepcji związanych ze światłem, które w przyszłości mogą okazać się kluczowe w dalszym rozwoju człowieka. W końcu czy nie fajne byłoby budowanie podwodnej kolonii na księżycu Jowisza? No pewnie, że fajne, tylko błagam o jedno - niech ktoś tam na górze wyłączy czasem słońce (albo przynajmniej przykręci ilość promieniowania, które wysyła w naszą stronę), bo te upałysą wyjątkowo nie do wytrzymania.