W Star Trek IV: The Voyage Home załoga Enterprise przechwytuje krążownik bojowy Klingonów. W przeciwieństwie do statków Gwiezdnej Floty Federacji, statki Imperium Klingonów są wyposażone w tajne „urządzenie maskujące”, które może uczynić je niewidzialnymi dla oka i radaru. To urządzenie pozwala statkom Klingonów pozostać niezauważonym za ogonami statków Federacji i uderzyć bezkarnie. Dzięki urządzeniu maskującemu Imperium Klingonów ma strategiczną przewagę nad Federacją Planet.
Czy takie urządzenie jest rzeczywiście możliwe? Niewidzialność już dawno stała się jednym ze zwykłych cudów dzieł science-fiction i fantasy - od „Niewidzialnego człowieka” po magiczną pelerynę niewidkę Harry'ego Pottera czy pierścień z „Władcy Pierścieni”. Niemniej jednak od co najmniej stu lat fizycy jednogłośnie zaprzeczają możliwości stworzenia peleryny niewidki i jednoznacznie stwierdzili, że jest to niemożliwe: mówią, że peleryny naruszają prawa optyki i nie zgadzają się z żadną ze znanych właściwości materii.
Ale dziś niemożliwe może stać się możliwe. Postępy w dziedzinie „metamateriałów” wymuszają znaczną rewizję podręczników optyki. Wykonane w laboratorium próbki robocze takich materiałów cieszą się dużym zainteresowaniem mediów, przemysłowców i wojska; każdy jest zainteresowany tym, jak uczynić to, co widzialne, niewidzialnym.
Niewidzialność w historii
Niewidzialność jest prawdopodobnie jednym z najstarszych pojęć w starożytnej mitologii. Od zarania dziejów człowiek, pozostawiony sam sobie w przerażającej ciszy nocy, czuł obecność niewidzialnych istot i bał się ich. Wszędzie wokół niego w ciemności czaiły się duchy zmarłych - dusze tych, którzy byli przed nim. Grecki bohater Perseusz, uzbrojony w niewidzialny hełm, zdołał zabić złą gorgonę Meduzę. Generałowie wszechczasów marzyli o urządzeniu maskującym, które pozwoliłoby im stać się niewidzialnymi dla wroga. Używając niewidzialności, można było łatwo przebić się przez linię obrony przeciwnika i zaskoczyć go. Przestępcy mogą wykorzystywać niewidzialność do dokonywania odważnych napadów.
W teorii etyki i moralności Platona niewidzialność odegrała główną rolę. W swojej pracy filozoficznej „Państwo” Platon opowiedział nam mit pierścienia Gigera. W tym micie biedny, ale uczciwy pasterz Gigus z Lidii wchodzi do tajnej jaskini i znajduje tam grób; widzi złoty pierścionek na palcu trupa. Gig dalej odkrywa, że pierścień ma magiczne moce i może uczynić go niewidzialnym. Biedny pasterz jest dosłownie pijany mocą, którą dał mu pierścień. Po wejściu do pałacu królewskiego Gigus uwodzi królową pierścieniem, a następnie z jej pomocą zabija króla i zostaje kolejnym królem Lidii.
Morał, który Platon wydedukował z tej historii, jest taki, że nikt nie jest w stanie oprzeć się pokusie wzięcia kogoś innego i bezkarnego zabicia. Ludzie są słabi, a moralność jest zjawiskiem społecznym, które należy wszczepiać i wspierać z zewnątrz. W miejscach publicznych człowiek może przestrzegać norm moralnych, aby wyglądać przyzwoicie i uczciwie oraz zachować własną reputację, ale jeśli dasz mu szansę stać się niewidzialnym, nie będzie w stanie się oprzeć i na pewno wykorzysta swoją nową moc. (Niektórzy uważają, że ta przypowieść moralna zainspirowała trylogię Władcy Pierścieni JRR Tolkiena; pierścień, który czyni jego właściciela niewidzialnym, jest również źródłem zła.)
Film promocyjny:
W science fiction niewidzialność jest jednym z najczęstszych napędów fabularnych. W serii komiksów z lat 30. Flash Gordon Flash staje się niewidzialny, aby ukryć się przed plutonem egzekucyjnym nikczemnego Ming the Ruthless. W powieściach i filmach o Harrym Potterze główny bohater, ubrany w magiczny płaszcz, może niepostrzeżenie błąkać się po zamku Hogwart.
H. G. Wells w klasycznej powieści The Invisible Man wcielił mniej więcej te same idee w konkretną formę. W tej powieści student medycyny przypadkowo odkrywa możliwości czwartego wymiaru i staje się niewidzialny. Niestety, wykorzystuje zdobyte fantastyczne możliwości osobistego zysku, popełnia całą serię drobnych przestępstw i ostatecznie ginie w desperackiej próbie ucieczki przed policją.
Równania Maxwella i tajemnica światła
Fizycy osiągnęli jasne zrozumienie praw optyki stosunkowo niedawno dzięki pracy Szkota Jamesa Clerka Maxwella, jednego z gigantów fizyki w XIX wieku. W pewnym sensie Maxwell był całkowitym przeciwieństwem Faradaya. Jeśli Faraday miał doskonałe wyczucie eksperymentatora, ale nie miał żadnego formalnego wykształcenia, to jego współczesny Maxwell był mistrzem wyższej matematyki. Ukończył z wyróżnieniem kurs z fizyki matematycznej w Cambridge, gdzie Izaak Newton pracował dwa wieki wcześniej.
Newton wynalazł rachunek różniczkowy - opisuje w języku równań różniczkowych, w jaki sposób obiekty nieustannie podlegają nieskończenie małym zmianom w czasie i przestrzeni. Ruch fal oceanicznych, cieczy, gazów i kul armatnich można opisać za pomocą równań różniczkowych. Maxwell zaczął pracować z jasnym celem: wyrazić rewolucyjne odkrycia Faradaya i jego fizyczne pola za pomocą precyzyjnych równań różniczkowych.
Maxwell rozpoczął od twierdzenia Faradaya, że pola elektryczne mogą przekształcić się w magnetyczne i odwrotnie. Robił zdjęcia pól fizycznych narysowanych przez Faradaya i zapisywał je dokładnym językiem równań różniczkowych. W efekcie uzyskano jeden z najważniejszych układów równań we współczesnej nauce. Jest to układ ośmiu równań różniczkowych o dość przerażającym charakterze. Każdy fizyk i inżynier na świecie musiał kiedyś się nimi pocić, opanowując elektromagnetyzm w instytucie.
Następnie Maxwell zadał sobie brzemienne w skutki pytanie: jeśli pole magnetyczne może zamienić się w pole elektryczne i odwrotnie, to co się stanie, jeśli będą one nieustannie się zmieniać w nieskończonej serii transformacji? Maxwell odkrył, że takie pole elektromagnetyczne generuje falę podobną do oceanu. Obliczył prędkość poruszania się takich fal i ku własnemu zdumieniu stwierdził, że jest ona równa prędkości światła! W 1864 r., Odkrywszy ten fakt, napisał proroczo: „Ta prędkość jest tak bliska prędkości światła, że wydaje się, że mamy wszelkie powody, by sądzić, że samo światło… jest zaburzeniem elektromagnetycznym”.
To odkrycie stało się być może jednym z największych w historii ludzkości - tajemnica światła została wreszcie ujawniona! Maxwell nagle zdał sobie sprawę, że wszystko - blask letniego wschodu słońca, wściekłe promienie zachodzącego słońca, olśniewające kolory tęczy i gwiazdy na nocnym niebie - można opisać za pomocą fal, które od niechcenia przedstawił na kartce papieru. Dziś rozumiemy, że całe widmo elektromagnetyczne: sygnały radarowe, promieniowanie mikrofalowe i fale telewizyjne, podczerwień, światło widzialne i ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promienie gamma to nic innego jak woda maxwellowska; a te z kolei reprezentują wibracje pól fizycznych Faradaya.
Mówiąc o znaczeniu równań Maxwella, Einstein napisał, że jest to „najgłębsza i najbardziej owocna rzecz, jakiej fizycy doświadczyli od czasów Newtona”.
(Niestety, Maxwell, jeden z największych fizyków XIX wieku, zmarł dość młodo, w wieku 48 lat, na raka żołądka - prawdopodobnie tę samą chorobę, która zabiła jego matkę w tym wieku. Gdyby żył dłużej, mógł mu się to udać odkryłby, że jego równania pozwoliły na zniekształcenie czasoprzestrzeni, prowadząc bezpośrednio do teorii względności Einsteina. Pomysł, że gdyby Maxwell żył dłużej, a teoria względności mogłaby powstać podczas wojny secesyjnej, jest szokujący do głębi.)
Teoria światła Maxwella i atomowa teoria budowy materii dają optyce i niewidzialności proste wyjaśnienie. W ciele stałym atomy są ciasno upakowane, podczas gdy w cieczy lub gazie odległość między cząsteczkami jest znacznie większa. Większość ciał stałych jest nieprzezroczysta, ponieważ promienie świetlne nie mogą przechodzić przez gęsty układ atomów, który działa jak ściana z cegieł. Z drugiej strony, wiele cieczy i gazów jest przezroczystych, ponieważ światło łatwiej przechodzi między rzadkimi atomami, a odległość między nimi jest większa niż długość fali światła widzialnego. Na przykład woda, alkohol, amoniak, aceton, nadtlenek wodoru, benzyna i inne ciecze są przezroczyste, podobnie jak przezroczyste, a gazy takie jak tlen, wodór, azot, dwutlenek węgla, metan itp.
Istnieje kilka ważnych wyjątków od tej reguły. Wiele kryształów jest zarówno stałych, jak i przezroczystych. Ale atomy w krysztale znajdują się w miejscach regularnej sieci przestrzennej i tworzą regularne rzędy z równymi odstępami między nimi. W rezultacie w sieci krystalicznej zawsze istnieje wiele ścieżek, wzdłuż których może przejść promień światła. Dlatego, chociaż atomy w krysztale są upakowane nie mniej gęsto niż w jakimkolwiek innym ciele stałym, światło wciąż jest w stanie przeniknąć.
W pewnych okolicznościach nawet ciało stałe z losowo rozmieszczonymi atomami może stać się przezroczyste. W przypadku niektórych materiałów efekt ten można uzyskać ogrzewając obiekt do wysokiej temperatury, a następnie szybko go schładzając. Na przykład szkło jest ciałem stałym, które ze względu na losowy układ atomów ma wiele właściwości cieczy. W ten sposób niektóre cukierki mogą być przezroczyste.
Oczywiście właściwość niewidzialności powstaje na poziomie atomowym, zgodnie z równaniami Maxwella, a zatem odtworzenie jej przy użyciu konwencjonalnych metod jest niezwykle trudne, jeśli nie niemożliwe. Aby Harry Potter stał się niewidzialny, będzie musiał zostać zlikwidowany, ugotowany i zamieniony w parę, skrystalizowany, podgrzany i schłodzony - musisz się zgodzić, każde z tych działań byłoby bardzo trudne nawet dla czarodzieja.
Wojsko, nie mogąc zbudować niewidzialnego samolotu, próbowało zrobić prostszą rzecz: stworzyło technologię steli, która sprawia, że samoloty są niewidoczne dla radarów. Technologia Stele, oparta na równaniach Maxwella, wykonuje szereg sztuczek. Myśliwiec stelowy jest łatwy do zobaczenia gołym okiem, ale na ekranie radaru wroga jego obraz jest mniej więcej wielkości dużego ptaka. (W rzeczywistości technologia steli jest połączeniem kilku zupełnie różnych sztuczek. Gdy tylko jest to możliwe, materiały konstrukcyjne myśliwca są zastępowane przez przezroczyste dla radaru: zamiast stali stosuje się różne tworzywa sztuczne i żywice; zmieniają się kąty kadłuba; konstrukcja dysz silnika itp. wszystkie te sztuczki mogą sprawić, że promień radarowy wroga uderzy w samolot,rozpraszają się we wszystkich kierunkach i nie wracają do urządzenia odbiorczego. Ale nawet przy tej technologii wojownik nie staje się całkowicie niewidzialny; po prostu odchyla i rozprasza wiązkę radaru tak bardzo, jak to technicznie możliwe).
Metamateriały i niewidzialność
Być może najbardziej obiecującym z ostatnich postępów w niewidzialności jest egzotyczny nowy materiał znany jako „metamateriał”; możliwe, że pewnego dnia sprawi, że przedmioty staną się rzeczywiście niewidoczne. To zabawne, ale kiedyś istnienie metamateriałów było również uważane za niemożliwe, ponieważ naruszają one prawa optyki. Jednak w 2006 roku naukowcom z Duke University w Durham w Północnej Karolinie i Imperial College w Londynie udało się obalić tę konwencjonalną mądrość i uczynić obiekt niewidzialnym dla promieniowania mikrofalowego za pomocą metamateriałów. Na tej drodze wciąż jest wystarczająco dużo przeszkód, ale po raz pierwszy w historii ludzkość dysponuje techniką, która umożliwia uczynienie zwykłych obiektów niewidzialnymi. (Badanie zostało sfinansowane przez DARPA, agencję Advanced Research Projects Agency).
Nathan Myhrvold, były główny technolog w firmie Microsoft, twierdzi, że rewolucyjna moc metamateriałów „całkowicie zmieni sposób, w jaki podchodzimy do optyki i prawie każdego aspektu elektroniki… Niektóre metamateriały są zdolne do dokonań, które dziesiątki lat temu wydawałyby się cudami”.
Co to są metamateriały? Są to substancje o właściwościach optycznych, które nie istnieją w przyrodzie. Kiedy powstają metamateriały, maleńkie implanty są osadzane w materii, zmuszając fale elektromagnetyczne do wybrania niestandardowych ścieżek. Na Uniwersytecie Duke naukowcy umieścili wiele małych obwodów elektrycznych w miedzianych taśmach ułożonych w płaskich koncentrycznych kręgach (wszystkie przypominają płytę grzejną). Rezultatem jest złożona konstrukcja wykonana z ceramiki, teflonu, włókien kompozytowych i elementów metalowych. Malutkie implanty obecne w miedzi umożliwiają odchylenie promieniowania mikrofalowego i skierowanie go wzdłuż z góry określonej ścieżki. Wyobraź sobie rzekę opływającą głaz. Woda bardzo szybko obraca się wokół kamieniadlatego jego obecność w dole rzeki nie wpływa w żaden sposób i nie można jej ujawnić. Podobnie, metamateriały są zdolne do ciągłej zmiany trasy mikrofal, tak że opływają, powiedzmy, pewien cylinder, a tym samym sprawiają, że wszystko wewnątrz tego cylindra jest niewidoczne dla fal radiowych. Jeśli metamateriał może również wyeliminować wszystkie odbicia i cienie, wówczas obiekt stanie się całkowicie niewidoczny dla tej formy promieniowania.
Naukowcom udało się zademonstrować tę zasadę za pomocą urządzenia składającego się z dziesięciu pierścieni z włókna szklanego pokrytych miedzianymi elementami. Miedziany pierścień wewnątrz urządzenia był prawie niewidoczny dla promieniowania mikrofalowego; rzucał tylko słaby cień.
Niezwykłe właściwości metamateriałów wynikają z ich zdolności do kontrolowania parametru znanego jako „współczynnik załamania światła”. Załamanie - właściwość światła do zmiany kierunku propagacji podczas przechodzenia przez przezroczysty materiał. Jeśli włożysz rękę do wody lub po prostu spojrzysz przez soczewki okularów, zauważysz, że woda i szkło odchylają i zniekształcają ścieżkę zwykłych promieni świetlnych.
Przyczyną odchylenia wiązki światła w szkle lub wodzie jest to, że światło zwalnia, gdy wpada do gęstego przezroczystego materiału. Prędkość światła w idealnej próżni jest stała, ale w szkle lub wodzie światło „przeciska się” przez skupisko bilionów atomów i dlatego zwalnia. (Stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w ośrodku nazywamy współczynnikiem załamania światła. Ponieważ światło w jakimkolwiek ośrodku zwalnia, współczynnik załamania jest zawsze większy niż jeden.) Na przykład współczynnik załamania światła w próżni wynosi 1,00; dla powietrza -1 0003; dla szkła-1,5; za diament-2,4. Z reguły im gęstsze medium, tym bardziej odchyla on wiązkę światła, a tym samym wyższy współczynnik załamania światła.
Miraże mogą służyć jako bardzo wyraźna demonstracja zjawisk związanych z refrakcją. Jeśli jedziesz autostradą w upalny dzień, patrzysz prosto przed siebie na horyzont, to droga miejscami wyda ci się mieniąca się i stworzy iluzję musującej tafli wody. Na pustyni czasami można zobaczyć na horyzoncie zarysy odległych miast i gór. Dzieje się tak, ponieważ powietrze ogrzane nad jezdnią lub piaskiem pustyni ma mniejszą gęstość i odpowiednio niższy współczynnik załamania światła niż otaczające je zwykłe, chłodniejsze powietrze; dlatego światło z odległych obiektów może załamać się w podgrzanej warstwie powietrza, a następnie dostać się do oka; daje to złudzenie, że naprawdę widzisz odległe obiekty.
Z reguły współczynnik załamania światła jest wartością stałą. Wąska wiązka światła penetrująca szkło zmienia kierunek, a następnie porusza się dalej w linii prostej. Ale przypuśćmy przez chwilę, że jesteśmy w stanie kontrolować współczynnik załamania światła tak, że w każdym punkcie szkła może on nieustannie zmieniać się w określony sposób. Światło poruszające się w tak nowym materiale mogłoby dowolnie zmieniać kierunek; ścieżka promienia w tym środowisku wiłaby się jak wąż.
Gdyby można było sterować współczynnikiem załamania światła w metamateriałach tak, aby światło zginało się wokół jakiegoś obiektu, wówczas obiekt ten stałby się niewidoczny. Aby uzyskać taki efekt, współczynnik załamania światła w metamateriałach musi być ujemny, ale jakikolwiek podręcznik optyki mówi, że jest to niemożliwe, (Metamateriały po raz pierwszy przewidziano teoretycznie w pracy radzieckiego fizyka Viktora Veselago w 1967 r. To Veselago wykazał, że materiały te muszą mieć tak niezwykłe właściwości optyczne, jak ujemny współczynnik załamania światła i odwrotny efekt Dopplera. Metamateriały wydają się tak dziwne, a nawet absurdalne, że na początku ich praktyczna realizacja została uznana za po prostu niemożliwą, jednak w ciągu ostatnich kilku lat w laboratorium pozyskano metamateriały, co zmusiło fizyków do przepisywania podręczników optyki).
Badaczy zajmujących się meta materiałami dziennikarze nieustannie irytują pytaniem: kiedy w końcu na rynku pojawią się peleryny niewidki? Odpowiedź można sformułować bardzo prosto: nie szybko.
David Smith z Duke University mówi: „Reporterzy dzwonią i błagają o co najmniej termin. Za ile miesięcy lub, powiedzmy, lat to się stanie. Naciskają, naciskają i naciskają, aw końcu nie można tego znieść i powiedzieć, że może za piętnaście lat. I właśnie tam - nagłówek gazety, prawda? Piętnaście lat przed płaszczem Harry'ego Pottera. Dlatego teraz nie podaje żadnych dat.
Fani Harry'ego Pottera lub Star Treka prawdopodobnie będą musieli poczekać. Chociaż prawdziwa peleryna niewidka nie jest już sprzeczna ze znanymi prawami natury - i większość fizyków zgadza się z tym w tej chwili - naukowcy wciąż mają do pokonania wiele trudnych przeszkód technicznych, zanim ta technologia będzie mogła zostać rozszerzona do pracy ze światłem widzialnym, a nie tylko mikrofalami promieniowanie.
W ogólnym przypadku wymiary struktur wewnętrznych osadzonych w metamateriałach powinny być mniejsze niż długość fali promieniowania. Na przykład mikrofale mogą mieć długość fali rzędu 3 cm, więc jeśli chcemy, aby metamateriał zakrzywiał ścieżkę mikrofal, musimy włożyć do niego implanty mniejsze niż 3 cm, ale aby obiekt był niewidoczny dla zielonego światła (o długości fali 500 nm), metamateriał powinien mieć wbudowane struktury o długości zaledwie około 50 nm. Ale nanometry są już skalą atomową, a do pracy z takimi rozmiarami wymagana jest nanotechnologia. (Nanometr to jedna miliardowa część metra. Jeden nanometr może pomieścić około pięciu atomów). Być może jest to kluczowy problem, z którym będziemy musieli się zmierzyć podczas tworzenia prawdziwej peleryny niewidki. Zginać dowolnie, jak wąż, ścieżkę wiązki światła,musielibyśmy zmodyfikować poszczególne atomy w metamateriałach.
Metamateriały dla światła widzialnego
Tak zaczął się wyścig.
Zaraz po ogłoszeniu odbioru pierwszych metamateriałów w laboratorium rozpoczęła się gorączkowa aktywność na tym terenie. Co kilka miesięcy słyszymy o rewolucyjnych spostrzeżeniach i zaskakujących przełomach. Cel jest jasny: stworzyć metamateriały przy użyciu nanotechnologii, które mogą zginać nie tylko mikrofale, ale także światło widzialne. Zaproponowano już kilka podejść, a wszystkie wydają się całkiem obiecujące.
Jedną z propozycji jest wykorzystanie gotowych metod, czyli pożyczenie stosowanych technologii przemysłu mikroelektronicznego do produkcji metamateriałów. Na przykład miniaturyzacja komputerów opiera się na technologii „fotolitografii”; jest też motorem komputerowej rewolucji. Ta technologia umożliwia inżynierom umieszczenie setek milionów malutkich tranzystorów na krzemowej płytce wielkości miniatury.
Moc komputerów podwaja się co 18 miesięcy (ten wzorzec nazywa się prawem Moore'a). Wynika to z faktu, że naukowcy za pomocą promieniowania ultrafioletowego „trawią” coraz więcej drobnych elementów na chipach krzemowych. Ta technologia jest bardzo podobna do procesu, w którym wzór jest nanoszony na kolorową koszulkę. (Inżynierowie komputerowi rozpoczynają od cienkiego podłoża, na które nakładane są najdrobniejsze warstwy różnych materiałów. Następnie podłoże jest przykrywane plastikową maską, która działa jak szablon. Złożony wzór przewodników, tranzystorów i komponentów komputerowych, które stanowią podstawę schematu obwodu, jest wstępnie nałożony na maskę. Obrabiany przedmiot jest napromieniowany twardym światłem UV to znaczy wystawione na promieniowanie ultrafioletowe o bardzo krótkiej długości fali;promieniowanie to niejako przenosi wzór matrycy na światłoczuły substrat. Następnie obrabiany przedmiot jest obrabiany specjalnymi gazami i kwasami, a złożony wzór matrycy jest wytrawiany na podłożu w miejscach, w których był narażony na promieniowanie ultrafioletowe. Rezultatem tego procesu jest płytka z setkami milionów maleńkich wgłębień tworzących obwody tranzystorów.) Obecnie najmniejsze elementy, które można wytworzyć w opisanym procesie, mają około 30 nm (czyli około 150 atomów). Rezultatem tego procesu jest płytka z setkami milionów maleńkich wgłębień tworzących obwody tranzystorów.) Obecnie najmniejsze elementy, które można wytworzyć w opisanym procesie, mają około 30 nm (czyli około 150 atomów). Rezultatem tego procesu jest płytka z setkami milionów maleńkich wgłębień tworzących obwody tranzystorów.) Obecnie najmniejsze elementy, które można wytworzyć w opisanym procesie, mają około 30 nm (czyli około 150 atomów).
Godnym uwagi kamieniem milowym na drodze do niewidzialności był niedawny eksperyment grupy naukowców z Niemiec i Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, w którym proces wytrawiania podłoża krzemowego został wykorzystany do stworzenia pierwszego metamateriału zdolnego do pracy w zakresie widzialnym światła. Na początku 2007 roku naukowcy ogłosili, że utworzony przez nich metamateriał wpływa na czerwone światło. To „niemożliwe” zostało zrealizowane w zaskakująco krótkim czasie.
Fizyk Costas Sukulis z Ames Laboratory i Iowa State University wraz ze Stephanem Lindenem, Martinem Wegenerem i Gunnarem Dollingiem z Uniwersytetu w Karlsruhe w Niemczech zdołali stworzyć metamateriał o współczynniku załamania światła -0,6 dla światła czerwonego o długości fali 780 nm. (Wcześniej rekord świata pod względem długości fali promieniowania „owiniętego” metamateriałem wynosił 1400 nm; nie jest to już widzialne, ale światło podczerwone).
Na początku naukowcy wzięli taflę szkła i nałożyli na nią cienką warstwę srebra, potem warstwę fluorku magnezu, a potem znowu warstwę srebra; w ten sposób otrzymano „kanapkę” z fluorem o grubości zaledwie 100 nm. Następnie naukowcy wykorzystali standardową technologię wytrawiania do wykonania wielu małych kwadratowych otworów w tej kanapce (o szerokości zaledwie 100 nm, znacznie mniej niż długość fali światła czerwonego); Rezultatem jest struktura kratowa przypominająca sieć rybacką. Następnie przepuszczali wiązkę czerwonego światła przez powstały materiał i mierzyli współczynnik załamania światła, który wyniósł -0,6.
Autorzy przewidują, że wynaleziona przez nich technologia znajdzie szerokie zastosowanie. Metamateriały „mogą pewnego dnia doprowadzić do powstania pewnego rodzaju płaskich super soczewek, które działają w zakresie widzialnym” - mówi dr Sukulis. „Ten obiektyw pozwoli Ci uzyskać wyższą rozdzielczość niż tradycyjna technologia i rozróżnić szczegóły, które są znacznie mniejsze niż długość fali światła”. Oczywiście jednym z pierwszych zastosowań „super soczewki” byłoby fotografowanie mikroskopijnych obiektów z niespotykaną dotąd jasnością; możemy mówić o fotografowaniu wnętrza żywej komórki ludzkiej lub diagnozowaniu chorób płodu w macicy. W idealnym przypadku możliwe byłoby bezpośrednie fotografowanie składników cząsteczki DNA, bez użycia surowych technik krystalografii rentgenowskiej.
Do tej pory naukowcom udało się wykazać ujemny współczynnik załamania światła tylko dla światła czerwonego. Trzeba jednak opracować metodę, a następnym krokiem jest stworzenie metamateriału, który mógłby całkowicie okrążyć czerwony promień wokół obiektu, czyniąc go niewidocznym dla czerwonego światła.
Można się również spodziewać dalszego rozwoju w dziedzinie „kryształów fotonicznych”. Celem technologii kryształów fotonicznych jest stworzenie chipa, który wykorzystuje światło zamiast energii elektrycznej do przetwarzania informacji. Pomysł polega na wykorzystaniu nanotechnologii do wytrawiania drobnych elementów na podłożu, tak aby współczynnik załamania światła zmieniał się z każdym składnikiem. Tranzystory, w których działa światło, mają wiele zalet w stosunku do elektronicznych. Na przykład w kryształach fotonicznych straty ciepła są znacznie mniejsze. (Złożone chipy silikonowe wytwarzają ciepło wystarczające do usmażenia jajka. Aby zapobiec ich uszkodzeniu, należy je stale chłodzić, co jest bardzo drogie).
Nic dziwnego, że technologia wytwarzania kryształów fotonicznych powinna być idealna dla metamateriałów, ponieważ obie technologie obejmują manipulowanie współczynnikiem załamania światła w nanoskali.
Niewidzialność dzięki plazmonice
Nie chcąc dać się wyprzedzić rywalom, inna grupa fizyków ogłosiła w połowie 2007 roku stworzenie metamateriału zdolnego do obracania światła widzialnego, opartego na zupełnie innej technologii zwanej plazmoniką. Fizycy Henri Lesek, Jennifer Dionne i Harry Atwater z California Institute of Technology ogłosili stworzenie metamateriału o ujemnym współczynniku załamania światła dla bardziej złożonego niebiesko-zielonego obszaru widma widzialnego.
Celem plazmoniki jest „ściśnięcie” światła w ten sposób, aby można było manipulować obiektami w nanoskali, zwłaszcza na powierzchniach metalowych. Przyczyna przewodnictwa elektrycznego metali polega na tym, że elektrony w atomach metalu są słabo związane z jądrem i mogą swobodnie poruszać się po powierzchni metalowej siatki. Elektryczność przepływająca przez przewody w Twoim domu to płynny przepływ tych luźno związanych elektronów po metalowej powierzchni. Ale w pewnych warunkach, gdy wiązka światła uderza w metalową powierzchnię, elektrony mogą wibrować zgodnie ze światłem. W tym przypadku falowe ruchy elektronów pojawiają się na powierzchni metalu (fale te nazywane są plazmonami) w czasie wraz z oscylacjami pola elektromagnetycznego nad metalem. Co ważniejsze, plazmony te można „skompresować”, aby miały taką samą częstotliwość jakjak oryginalna wiązka światła (co oznacza, że będą one zawierać te same informacje), ale o znacznie krótszej długości fali. W zasadzie te skompresowane fale można następnie wcisnąć w nanoprzewody. Podobnie jak w przypadku kryształów fotonicznych, ostatecznym celem plazmoniki jest stworzenie chipów komputerowych, które zasilają światło, a nie elektryczność.
Grupa z California Tech zbudowała swój metamateriał z dwiema warstwami srebra i warstwą izolacyjną z krzemu i azotu (o grubości zaledwie 50 nm) między nimi. Warstwa ta działa jak „falowód” zdolny do kierowania fal plazmonowych w pożądanym kierunku. Wiązka laserowa wchodzi do urządzenia przez szczelinę wyciętą w metamateriałach; przechodzi przez falowód, a następnie wychodzi przez drugą szczelinę. Jeśli przeanalizujesz kąty, pod którymi promień lasera zgina się podczas przechodzenia przez metamateriał, możesz określić, że materiał ma ujemny współczynnik załamania światła o danej długości fali.
Przyszłość metamateriałów
Postęp w badaniach metamateriałów w przyszłości przyspieszy z tego prostego powodu, że istnieje już duże zainteresowanie tworzeniem tranzystorów, które działają na wiązkę światła zamiast na elektryczności. Można zatem założyć, że badania z zakresu niewidzialności będą w stanie „przejechać się”, czyli wykorzystać wyniki już trwających badań do stworzenia zamiennika chipa krzemowego z wykorzystaniem kryształów fotonicznych i plazmoniki. Już dziś inwestuje się setki milionów dolarów w rozwój technologii mającej zastąpić chipy krzemowe, a badania w dziedzinie metamateriałów również przyniosą korzyści.
Obecnie co kilka miesięcy dokonuje się nowych ważnych odkryć w tej dziedzinie, więc nie jest zaskakujące, że niektórzy fizycy spodziewają się, że pierwsze próbki prawdziwej osłony niewidzialności pojawią się w laboratorium w ciągu kilku dekad. Dlatego naukowcy są przekonani, że w ciągu najbliższych kilku lat będą w stanie stworzyć metamateriały, które mogą uczynić obiekt całkowicie niewidocznym, przynajmniej w dwóch wymiarach, dla światła widzialnego o dowolnej określonej częstotliwości. Aby osiągnąć ten efekt, konieczne będzie wprowadzenie do metamateriału malutkich nanoimplantów nie w regularnych rzędach, ale w skomplikowany wzór, dzięki czemu światło płynnie załamuje się wokół ukrytego obiektu.
Następnie naukowcy będą musieli wymyślić i stworzyć metamateriały, które mogą zakrzywiać światło w trzech wymiarach, a nie tylko na płaskich dwuwymiarowych powierzchniach. Fotolitografia to sprawdzona technologia wytwarzania płaskich obwodów krzemowych; stworzenie trójwymiarowych metamateriałów będzie wymagało przynajmniej złożonego ułożenia kilku płaskich diagramów.
Następnie naukowcy będą musieli rozwiązać problem tworzenia metamateriałów, które zakrzywiają światło nie o jednej częstotliwości, ale o kilku - lub powiedzmy, paśmie częstotliwości. Jest to prawdopodobnie najtrudniejsze zadanie, ponieważ wszystkie opracowane do tej pory maleńkie implanty odbijają światło tylko o jednej precyzyjnej częstotliwości. Być może naukowcy będą musieli zająć się wielowarstwowymi metamateriałami, w których każda warstwa będzie działać z jedną, określoną częstotliwością. Nie jest jeszcze jasne, jakie będzie rozwiązanie tego problemu.
Ale tarcza niewidzialności, nawet po tym, jak została ostatecznie stworzona w laboratorium, może wcale nie być tym, czego chcemy, najprawdopodobniej będzie ciężkim i nieporęcznym urządzeniem. Płaszcz Harry'ego Pottera został uszyty z cienkiej, miękkiej tkaniny i sprawiał, że każdy, kto się nim owinął, był niewidoczny. Ale aby taki efekt był możliwy, współczynnik załamania światła wewnątrz tkanki musi stale zmieniać się w złożony sposób, zgodnie z wibracjami tkanki i ruchami osoby. To jest niepraktyczne. Najprawdopodobniej peleryna niewidka, przynajmniej początkowo, będzie solidnym cylindrem z metamateriału. W takim przypadku współczynnik załamania światła wewnątrz cylindra może być stały. (W bardziej zaawansowanych modelach z czasem mogą pojawić się elastyczne metamateriały, które mogą się wyginać, a jednocześnie utrzymywać światło wewnątrz siebie na właściwej drodze.kto znajdzie się w „płaszczu”, uzyska pewną swobodę ruchów).
Tarcza niewidzialności ma jedną wadę, na którą już wielokrotnie wskazywano: ten, kto jest w środku, nie może wyglądać bez bycia widocznym. Wyobraź sobie Harry'ego Pottera z widocznymi tylko oczami; podczas gdy wydają się unosić w powietrzu na odpowiedniej wysokości. Wszelkie otwory na oczy w pelerynie-niewidce byłyby wyraźnie widoczne z zewnątrz. Jeśli sprawisz, że Harry Potter stanie się całkowicie niewidzialny, będzie musiał siedzieć na oślep w całkowitej ciemności pod płaszczem. (Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu byłyby dwie małe szklanki przed oczami. Okulary te działałyby jak „rozdzielacze wiązki”; uszczypałyby i skierowały niewielką część padającego na nie światła do oczu. Jednak większość światła padającego na pelerynę była by ominąć, czyniąc osobę niewidoczną wewnątrz, ale niektóre, bardzo małe,jego część rozdzieliłaby się i dostałaby się do oczu).
Niewątpliwie przeszkody utrudniające niewidzialność są bardzo poważne, ale naukowcy i inżynierowie są optymistami i wierzą, że taka czy inna tarcza niewidzialna może powstać w ciągu najbliższych kilku dekad.
Niewidzialność i nanotechnologia
Jak już wspomniałem, kluczem do niewidzialności może być rozwój nanotechnologii, tj. zdolność do manipulowania strukturami atomowymi (średnica około jednej miliardowej metra).
Moment narodzin nanotechnologii nazywany jest słynnym wykładem pod ironicznym tytułem „Na dole jest pełno przestrzeni”, który laureat Nagrody Nobla Richard Feynman wygłosił przed American Physical Society w 1959 roku. W tym wykładzie mówił o tym, jak mogą wyglądać najmniejsze maszyny zgodnie nas zgodnie z prawami fizyki. Feynman zdał sobie sprawę, że rozmiar maszyn będzie coraz mniejszy, aż osiągną rozmiar atomu, a wtedy same atomy można wykorzystać do tworzenia nowych maszyn. Doszedł do wniosku, że najprostsze maszyny atomowe, takie jak blok, dźwignia czy koło, nie zaprzeczają prawom fizyki, ale ich wytworzenie będzie niezwykle trudne.
Przez wiele lat nanotechnologia odeszła w zapomnienie - po prostu dlatego, że ówczesna technologia nie pozwalała na manipulowanie pojedynczymi atomami. Jednak w 1981 roku nastąpił przełom - fizycy Gerd Binnig i Heinrich Rohrer z laboratorium IBM w Zurychu wynaleźli skaningowy mikroskop tunelowy, który później przyniósł im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Naukowcom udało się nagle uzyskać niesamowite „zdjęcia” pojedynczych atomów połączonych w struktury - dokładnie takie same, jak zwykle przedstawiane w książkach o chemii; kiedyś krytycy teorii atomowej uważali to za niemożliwe. Teraz można było uzyskać wspaniałe zdjęcia atomów ułożonych w rzędy we właściwej strukturze kryształu lub metalu. Wzory chemiczne, za pomocą których naukowcy próbowali odzwierciedlić złożoną strukturę cząsteczki, można było teraz zobaczyć gołym okiem. Ponadto skaningowy mikroskop tunelowy umożliwiał manipulowanie pojedynczymi atomami. Odkrywcy wyłożyli litery IBM z poszczególnych atomów, co zrobiło prawdziwą sensację w świecie nauki. Naukowcy nie są już ślepi w świecie pojedynczych atomów; byli w stanie widzieć i pracować z atomami.
Zasada działania skaningowego mikroskopu tunelowego jest pozornie prosta. Tak jak gramofon skanuje dysk za pomocą igły, mikroskop ten powoli przesuwa ostrą sondę nad badaną substancją. (Końcówka tej sondy jest tak ostra, że kończy się pojedynczym atomem). Sonda ma słaby ładunek elektryczny; prąd elektryczny przepływa od jego końca przez badany materiał do przewodzącej powierzchni pod nim. Kiedy sonda przechodzi nad każdym pojedynczym atomem, prąd zmienia się nieznacznie; zmiany prądu są starannie rejestrowane. Wzloty i spadki prądu, gdy igła przechodzi nad atomem, bardzo dokładnie i szczegółowo odzwierciedlają jego zarys. Po przetworzeniu i przedstawieniu w formie graficznej danych o wahaniach prądu dla dużej liczby przebiegów można uzyskać piękny obraz poszczególnych atomów tworzących przestrzenną siatkę.
(Skaningowy mikroskop tunelowy może istnieć dzięki dziwnemu prawu fizyki kwantowej. Zwykle elektrony nie mają wystarczającej energii, aby podróżować od końcówki sondy do podłoża przez warstwę materii. Jednak zgodnie z zasadą nieoznaczoności istnieje niewielkie prawdopodobieństwo, że elektrony „tunelują”, tj. Oznacza to, że przenikają przez barierę, chociaż jest to sprzeczne z teorią Newtona. Dlatego prąd przepływający przez materiał jest tak wrażliwy na subtelne efekty kwantowe w nim. Później rozważę bardziej szczegółowo konsekwencje teorii kwantowej.)
Ponadto sonda mikroskopu jest na tyle czuła, że porusza pojedyncze atomy i buduje z nich proste „maszyny”. W tej chwili technologia ta jest na tyle zaawansowana, że na ekranie komputera można zobaczyć grupę atomów i po prostu przesuwając kursor, dowolnie przesuwać poszczególne atomy. Dziesiątkami atomów można manipulować równie łatwo jak klockami Lego. Możesz nie tylko układać litery z atomów, ale także tworzyć zabawki, takie jak na przykład liczydło, w którym kostki składają się z pojedynczych atomów. W tym celu atomy układa się na powierzchni wyposażonej w pionowe rowki. Kuliste fulereny („piłki futbolowe” złożone z pojedynczych atomów węgla) są umieszczane w rowkach. Te kulki węglowe służą jako kości rachunków atomowych, poruszając się w górę iw dół w swoich rowkach.
Możesz także ciąć urządzenia atomowe za pomocą wiązek elektronów. Na przykład naukowcy z Cornell University wyrzeźbili z krystalicznego krzemu najmniejszą na świecie gitarę, której rozmiar jest 20 razy mniejszy niż grubość ludzkiego włosa. Gitara ma sześć strun, każda o grubości stu atomów, które można ciągnąć za pomocą mikroskopu sił atomowych. (Gitara rzeczywiście odtwarza muzykę, ale wytwarzane przez nią częstotliwości są daleko poza słyszalnością ludzkiego ucha).
Obecnie prawie wszystkie „nanomaszyny” to tylko zabawki. Nie powstały jeszcze bardziej złożone maszyny z przekładniami i łożyskami. Ale wielu inżynierów jest przekonanych, że czas na prawdziwe maszyny atomowe zbliża się. (W naturze takie maszyny istnieją. Organizmy jednokomórkowe mogą swobodnie unosić się w wodzie dzięki ruchom drobnych włosków. Jeśli jednak dokładnie rozważymy związek między włosem a komórką, staje się jasne, że to maszyna atomowa pozwala włosom poruszać się dowolnie we wszystkich kierunkach. Dlatego jeden ze sposobów rozwoju nanotechnologii jest kopiowaniem natury, która opanowała produkcję maszyn atomowych miliardy lat temu).
Hologramy i niewidzialność
Innym sposobem uczynienia osoby nieco niewidzialną jest sfotografowanie widoku za nią, a następnie wyświetlenie tego obrazu bezpośrednio na jej ubraniu lub jakimś ekranie przed nią. Jeśli spojrzysz z przodu, wydaje się, że osoba stała się przezroczysta, a światło w jakiś sposób przechodzi przez jego ciało.
Proces ten, znany jako „optyczne maskowanie”, był poważnie rozwijany, w szczególności przez Naoki Kawakami z Tachi Laboratory na Uniwersytecie w Tokio. Mówi: „Ta technologia mogłaby pomóc pilotom widzieć pas startowy przez podłogę kokpitu lub pomóc kierowcom rozejrzeć się po zaparkowaniu”. Płaszcz Kawakamiego jest pokryty maleńkimi odblaskowymi koralikami, które działają jak ekran filmowy. To, co dzieje się od tyłu, jest filmowane kamerą wideo. Obraz ten następnie trafia do projektora wideo, który z kolei wyświetla go na płaszczu z przodu. Wydaje się, że światło przenika człowieka na wylot.
W laboratorium powstały już prototypy płaszczy przeciwdeszczowych z optycznym systemem kamuflażu. Jeśli spojrzysz bezpośrednio z przodu na osobę w takim płaszczu, wydaje się, że znika, ponieważ widzisz tylko obraz tego, co dzieje się z tyłu. Ale jeśli ty i twoje oczy poruszysz się trochę, a obraz na płaszczu pozostanie taki sam, stanie się jasne, że to tylko oszustwo. W bardziej realistycznym optycznym systemie maskowania konieczne będzie stworzenie iluzji trójwymiarowego obrazu. Będzie to wymagało hologramów.
Hologram to obraz 3D utworzony za pomocą laserów (pomyśl o trójwymiarowym obrazie księżniczki Lei z Gwiezdnych wojen). Możesz uczynić osobę niewidzialną, jeśli zrobisz zdjęcie tła za nią za pomocą specjalnego aparatu holograficznego, a następnie odtworzysz je na specjalnym ekranie holograficznym przed nim. Obserwator zobaczy przed sobą holograficzny ekran z obrazem wszystkiego, co faktycznie znajduje się z przodu, z wyjątkiem osoby. Będzie wyglądać tak, jakby osoba po prostu zniknęła. W jego miejsce pojawi się dokładny obraz 3D tła. Nawet po przeprowadzce nie będziesz w stanie zrozumieć, że przed Tobą znajduje się podróbka.
Tworzenie takich trójwymiarowych obrazów jest możliwe dzięki „koherencji” światła lasera, tj. fakt, że oscylacje elektromagnetyczne zachodzą w nim ściśle zgodnie. Aby zbudować hologram, spójna wiązka laserowa jest dzielona na dwie części. Jedna połowa skierowana jest na kliszę fotograficzną, druga - na ten sam kliszę fotograficzną, ale po odbiciu od przedmiotu. Kiedy dwie połówki wiązki kolidują ze sobą, na filmie pojawia się wzór interferencji, który zawiera wszystkie informacje o pierwotnej trójwymiarowej wiązce. Film po wywołaniu nie wygląda zbyt obiecująco - widać na nim tylko sieć niezrozumiałych linii i loków. Ale jeśli przepuścisz wiązkę lasera przez ten film, w powietrzu pojawi się dokładna trójwymiarowa kopia obiektu, jak za pomocą magii.
Niemniej jednak niewidzialność holograficzna stwarza bardzo poważne problemy dla badaczy. Jednym z nich jest stworzenie aparatu holograficznego, który może wykonać co najmniej 30 zdjęć na sekundę. Innym jest przechowywanie i przetwarzanie wszystkich tych informacji. Na koniec musisz wyświetlić obraz na ekranie, aby wyglądał realistycznie.
Niewidzialność w czwartym wymiarze
Należy wspomnieć o innym, znacznie bardziej przebiegłym sposobie stawania się niewidzialnym, jak nakreślił H. G. Wells w powieści The Invisible Man. Ta metoda polega na wykorzystaniu możliwości czwartego wymiaru. (W dalszej części tej książki opowiem więcej o możliwym istnieniu wyższych wymiarów.) Czy człowiek może opuścić nasz trójwymiarowy wszechświat i unosić się nad nim w czwartym wymiarze, obserwując, co dzieje się z boku? Podobnie jak trójwymiarowy motyl trzepoczący nad dwuwymiarową kartką papieru, taka osoba byłaby niewidzialna dla żadnego mieszkańca wszechświata poniżej. Jedynym problemem jest to, że istnienie wyższych wymiarów nie zostało jeszcze udowodnione. Co więcej, hipotetyczna podróż do jednego z tych wymiarów wymagałaby znacznie więcej energii niż mamy obecnie przy naszym obecnym stanie wiedzy. Jeśli mówimy o prawdziwych sposobach osiągnięcia niewidzialności, to oczywiście ta metoda wykracza daleko poza naszą obecną wiedzę i możliwości.
Biorąc pod uwagę olbrzymi postęp, jaki dokonał się już na drodze do niewidzialności, myślę, że możemy bezpiecznie zaklasyfikować to jako niemożliwość I. klasy. Niewidzialność tego czy innego rodzaju może stać się powszechna w ciągu kilku następnych dziesięcioleci, przynajmniej pod koniec wieku.