În Star Trek IV: The Voyage Home, echipajul Enterprise surprinde un croazier de luptă Klingon. Spre deosebire de navele Federației Starfleet, navele Imperiului Klingon sunt echipate cu un „dispozitiv de îmbrăcăminte” secret care le poate face invizibile pentru ochi și radar. Acest dispozitiv permite navelor Klingon să treacă neobservate la coada navelor Federației și să lovească cu impunitate. Datorită dispozitivului de îmbrăcăminte, Imperiul Klingon are un avantaj strategic față de Federația Planetelor.
Este posibil un astfel de dispozitiv? Invizibilitatea a devenit de mult timp una dintre minunile obișnuite ale operelor de ficțiune și fantezie - de la „Omul Invizibil” la mantia de invizibilitate magică a lui Harry Potter sau inelul de la „Stăpânul inelelor”. Cu toate acestea, timp de cel puțin o sută de ani, fizicienii au negat în unanimitate posibilitatea de a crea mantii de invizibilitate și au afirmat fără echivoc că acest lucru este imposibil: mantii, spun ei, încalcă legile opticii și nu sunt de acord cu niciuna dintre proprietățile cunoscute ale materiei.
Dar astăzi, imposibilul poate deveni posibil. Progresele în domeniul „metamaterialelor” forțează o revizuire semnificativă a manualelor de optică. Probele de lucru din astfel de materiale create în laborator sunt de mare interes pentru mass-media, industriași și militari; toată lumea este interesată de cum să facă vizibilul invizibil.
Invizibilitate în istorie
Invizibilitatea este poate unul dintre cele mai vechi concepte din mitologia antică. Încă de la începutul timpului, un bărbat, rămas singur în liniște înfricoșătoare a nopții, a simțit prezența ființelor invizibile și i-a fost frică de ele. În jurul lui, în întuneric, pândeau spiritele morților - sufletele celor care plecaseră înaintea lui. Eroul grec Perseus, înarmat cu o cască invizibilă, a reușit să omoare răul Gorgon Medusa. Generalii din toate timpurile au visat la un dispozitiv de îmbrăcăminte care să le permită să devină invizibili pentru inamic. Folosind invizibilitatea, puteți pătrunde cu ușurință linia de apărare a inamicului și să-l ia prin surprindere. Infractorii ar putea folosi invizibilitatea pentru a comite jafuri îndrăznețe.
În teoria eticii și a moralității lui Platon, invizibilitatea a jucat un rol major. În lucrarea sa filosofică „Statul” Platon ne-a spus mitul inelului Giga. În acest mit, bietul, dar cinstit păstor Gigus al Lydiei, intră într-o peșteră secretă și găsește acolo un mormânt; vede un inel de aur pe degetul cadavrului. Gig descoperă în continuare că inelul are puteri magice și îl poate face invizibil. Bietul păstor este literalmente beat cu puterea pe care i-a oferit-o inelul. După ce și-a făcut drum în palatul regal, Gigus o seduce pe regină cu un inel, apoi cu ajutorul ei îl ucide pe rege și devine următorul rege al Lydiei.
Moralul pe care Platon l-a dedus din această poveste este că nicio persoană nu este capabilă să reziste tentației de a lua pe altcineva și de a ucide cu impunitate. Oamenii sunt slabi, iar moralitatea este un fenomen social care trebuie implantat și susținut din exterior. În public, o persoană poate respecta standardele morale pentru a arăta decent și cinstit și a-și menține propria reputație, dar, odată ce îi oferiți posibilitatea de a deveni invizibil, nu va putea rezista și va folosi cu siguranță noua sa putere. (Unii cred că această parabolă morală l-a inspirat pe JRR Tolkien să creeze trilogia Domnului inelelor; inelul care îi face invizibilul proprietar este și el o sursă de rău.)
Video promotional:
În ficțiunea științifică, invizibilitatea este una dintre cele mai frecvente unități argumentale. În seria de benzi desenate din anii 1930. „Flash Gordon” Flash devine invizibil pentru a se ascunde de echipa de tragere a răufăcătorului Ming Ruthless. În romanele și filmele despre Harry Potter, personajul principal, care își îmbrăcă o mantie magică, poate rătăci în jurul Castelului Hogwarts neobservat.
H. G. Wells, în romanul clasic Omul Invizibil, a întruchipat aproximativ aceleași idei în formă concretă. În acest roman, un student în medicină descoperă accidental posibilitățile celei de-a patra dimensiuni și devine invizibil. Din nefericire, el folosește oportunitățile fantastice obținute pentru câștig personal, comite o serie întreagă de crime mici și, în cele din urmă, moare într-o încercare disperată de a scăpa de poliție.
Ecuațiile lui Maxwell și misterul luminii
Fizicienii au obținut orice înțelegere clară a legilor opticii relativ recent ca urmare a lucrărilor scotianului James Clerk Maxwell, unul dintre giganții fizicii din secolul al XIX-lea. Într-un anumit sens, Maxwell era opusul complet al Faraday. Dacă Faraday avea un excelent simț al experimentatorului, dar nu avea nicio educație formală, contemporanul său Maxwell era un maestru al matematicii superioare. Și-a încheiat pregătirea în fizică matematică cu onoruri la Cambridge, unde Isaac Newton a lucrat cu două secole înaintea sa.
Newton a inventat calculul diferențial - descrie în limbajul ecuațiilor diferențiale modul în care obiectele suferă în mod continuu mici schimbări în timp și spațiu. Mișcarea valurilor oceanului, a lichidelor, a gazelor și a bilelor de tun pot fi descrise în termeni de ecuații diferențiale. Maxwell a început să lucreze cu un scop clar în minte: să exprime descoperirile revoluționare ale lui Faraday și câmpurile sale fizice folosind ecuații diferențiale precise.
Maxwell a început cu afirmația lui Faraday că câmpurile electrice se pot transforma în magnetice și invers. El a fotografiat câmpurile fizice desenate de Faraday și le-a notat în limbajul exact al ecuațiilor diferențiale. Drept urmare, a fost obținut unul dintre cele mai importante sisteme de ecuații în știința modernă. Acesta este un sistem de opt ecuații diferențiale de un tip destul de înfiorător. Fiecare fizician și inginer din lume a trebuit să transpire peste ei la un moment dat, stăpânind electromagnetismul la institut.
Atunci Maxwell și-a pus o întrebare fatidică: dacă un câmp magnetic se poate transforma într-un câmp electric și invers, ce se întâmplă dacă se schimbă constant de la unul la altul într-o serie interminabilă de transformări? Maxwell a descoperit că un astfel de câmp electromagnetic va genera un val asemănător oceanului. El a calculat viteza de mișcare a unor astfel de unde și, spre propria lui uimire, a descoperit că este egală cu viteza luminii! În 1864, după ce a descoperit acest fapt, el a scris profetic: "Această viteză este atât de aproape de viteza luminii încât parcă avem toate motivele pentru a concluziona că lumina însăși … este o perturbare electromagnetică."
Această descoperire a devenit, poate, una dintre cele mai mari din istoria omenirii - secretul luminii a fost descoperit în cele din urmă! Maxwell și-a dat seama brusc că totul - strălucirea răsăritului de vară și razele furioase ale soarelui apus, precum și culorile amețitoare ale curcubeului și a stelelor din cerul nopții - pot fi descrise folosind valuri, pe care le-a descris în mod întâmplător pe o bucată de hârtie. Astăzi înțelegem că întregul spectru electromagnetic: semnale radar, radiații cu microunde și unde de televiziune, infraroșu, lumină vizibilă și ultravioletă, raze X și raze gamma nu sunt altceva decât apa maxwelliană; iar acestea, la rândul lor, reprezintă vibrațiile câmpurilor fizice Faraday.
Vorbind despre semnificația ecuațiilor lui Maxwell, Einstein a scris că acesta este „cel mai profund și rodnic lucru pe care fizica l-a experimentat încă de pe vremea lui Newton”.
(Tragic, Maxwell, unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului al XIX-lea, a murit destul de tânăr, la vârsta de 48 de ani, de cancer la stomac - probabil aceeași boală care a ucis-o pe mama sa la acea vârstă. Dacă ar fi trăit mai mult, poate ar fi reușit ar descoperi că ecuațiile sale permiteau distorsionarea spațiului-timp, ducând direct la teoria relativității lui Einstein. Ideea că, dacă Maxwell ar fi trăit mai mult și teoria relativității ar fi putut să apară în timpul Războiului Civil american, este șocantă.)
Teoria luminii a lui Maxwell și teoria atomică a structurii materiei oferă opticii și invizibilității o explicație simplă. Într-un solid, atomii sunt bine împachetate, în timp ce într-un lichid sau gaz, distanța dintre molecule este mult mai mare. Majoritatea solidelor sunt opace, deoarece razele de lumină nu pot trece printr-o serie densă de atomi, care acționează ca un zid de cărămidă. Multe lichide și gaze, pe de altă parte, sunt transparente, deoarece este mai ușor să treacă lumina între atomii rari, distanța dintre care este mai mare decât lungimea de undă a luminii vizibile. De exemplu, apa, alcoolul, amoniacul, acetona, peroxidul de hidrogen, benzina și alte lichide sunt transparente, la fel și transparente și gaze precum oxigen, hidrogen, azot, dioxid de carbon, metan etc.
Există câteva excepții importante de la această regulă. Multe cristale sunt solide și transparente. Dar atomii din cristal sunt localizați la locurile unei rețele spațiale obișnuite și formează rânduri regulate cu intervale egale între ei. Drept urmare, există întotdeauna multe căi în zăbrele de cristal de-a lungul cărora o rază de lumină poate trece prin ea. Prin urmare, deși atomii dintr-un cristal sunt ambalați nu mai puțin dens decât în orice alt solid, lumina este încă capabilă să o pătrundă.
În anumite circumstanțe, chiar și un obiect solid cu atomi distanțat aleatoriu poate deveni transparent. Pentru unele materiale, acest efect poate fi obținut prin încălzirea obiectului la o temperatură ridicată și apoi prin răcirea rapidă a acestuia. De exemplu, sticla este un solid care, datorită dispunerii aleatorii a atomilor, are multe dintre proprietățile unui lichid. Unele bomboane pot fi, de asemenea, transparente în acest fel.
Evident, proprietatea invizibilității apare la nivel atomic, conform ecuațiilor lui Maxwell și, prin urmare, este extrem de dificil, dacă nu imposibil, să o reproducem folosind metode convenționale. Pentru a-l face pe Harry Potter invizibil, va trebui să fie lichidat, fiert și transformat în abur, cristalizat, încălzit și răcit - trebuie să fiți de acord, oricare dintre aceste acțiuni ar fi foarte dificil chiar și pentru un vrăjitor.
Militarii, incapabili să construiască aeronave invizibile, au încercat să facă un lucru mai simplu: au creat tehnologia de stele, care face ca aeronavele să fie invizibile pentru radare. Tehnologia Stele, bazată pe ecuațiile lui Maxwell, efectuează o serie de trucuri. Luptătorul cu jet de stele este ușor de văzut cu ochiul liber, dar pe ecranul radarului inamic, imaginea sa este aproximativ de dimensiunea unei păsări mari. (De fapt, tehnologia stele este o combinație a mai multor trucuri complet diferite. Ori de câte ori este posibil, materialele de construcție ale luptătorului sunt înlocuite cu materiale transparente radar: în loc de oțel, sunt utilizate diverse materiale plastice și rășini; unghiurile de fuselaj se schimbă; designul duzei motorului etc. toate aceste trucuri pot fi făcute raza radar a inamicului lovind avionul,împrăștiați în toate direcțiile și nu reveniți la dispozitivul receptor. Dar chiar și cu această tehnologie, luptătorul nu devine complet invizibil; doar deviază și împrăștie fasciculul de radar cât mai mult posibil.)
Metamateriale și invizibilitate
Poate cel mai promițător dintre progresele recente în invizibilitate este un material nou exotic cunoscut sub numele de „metamaterial”; este posibil ca într-o zi să facă obiecte de fapt invizibile. Este amuzant, dar odată existența metamaterialelor a fost considerată și imposibilă, deoarece acestea încalcă legile opticii. Dar, în 2006, cercetătorii de la Duke University din Durham, Carolina de Nord și Imperial College London au respins cu succes această înțelepciune convențională și au făcut obiectul invizibil radiațiilor cu microunde folosind metamateriale. Există încă destule obstacole pe această cale, dar pentru prima dată în istorie, omenirea are o tehnică care face posibilă ca obiectele obișnuite să fie invizibile. (Această cercetare a fost finanțată de DARPA, Agenția de proiecte de cercetare avansată pentru apărare.)
Nathan Myhrvold, fost tehnolog șef la Microsoft, susține că puterea revoluționară a metamaterialelor "va schimba complet modul în care abordăm optica și aproape toate aspectele electronice … Unele dintre metamateriale sunt capabile de fapte care ar fi părut miracole în urmă cu zeci de ani."
Ce sunt metamaterialele? Acestea sunt substanțe cu proprietăți optice care nu există în natură. Când sunt create metamateriale, implanturi minuscule sunt încorporate în materie, forțând undele electromagnetice să ia căi non-standard. La Duke University, oamenii de știință au introdus multe circuite electrice minuscule în benzi de cupru așezate în cercuri concentrice plate (toate cam ca o plită). Rezultatul este o structură complexă din ceramică, teflon, fibre compozite și componente metalice. Implanturile minuscule prezente în cupru fac posibilă devierea radiațiilor cu microunde și direcționarea acesteia pe o cale prestabilită. Imaginează-ți un râu care curge în jurul unui bolovan. Apa se învârte foarte repede în jurul pietreiprin urmare, prezența sa în aval nu afectează în niciun fel și este imposibil să o dezvăluim. De asemenea, metamaterialele sunt capabile să schimbe continuu traseul microundelor, astfel încât acestea să curgă în jurul valorii de un anumit cilindru și să facă astfel totul din interiorul acestui cilindru invizibil pentru undele radio. Dacă metamaterialul poate elimina, de asemenea, toate reflexiile și umbrele, atunci obiectul va deveni complet invizibil pentru această formă de radiație.
Oamenii de știință au demonstrat cu succes acest principiu cu un dispozitiv compus din zece inele din fibră de sticlă acoperite cu elemente de cupru. Inelul de cupru din interiorul dispozitivului era aproape invizibil la radiațiile cu microunde; arunca doar o umbră slabă.
Proprietățile neobișnuite ale metamaterialelor se bazează pe capacitatea lor de a controla un parametru cunoscut sub numele de „indice de refracție”. Refracție - proprietatea luminii de a schimba direcția de propagare la trecerea printr-un material transparent. Dacă puneți mâna în apă sau doar priviți prin lentilele ochelarilor, veți observa că apa și sticla deviază și distorsionează calea razelor obișnuite de lumină.
Motivul pentru devierea unui fascicul de lumină în sticlă sau apă este că lumina încetinește pe măsură ce intră într-un material dens dens. Viteza luminii într-un vid ideal este constantă, dar în sticlă sau apă, lumina "stoarce" printr-un grup de trilioane de atomi și, prin urmare, încetinește. (Raportul dintre viteza luminii într-un vid și viteza luminii într-un mediu se numește indicele de refracție. Deoarece lumina încetinește în orice mediu, indicele de refracție este întotdeauna mai mare decât unul.) De exemplu, indicele de refracție pentru un vid este 1,00; pentru aer -1,0003; pentru sticlă-1,5; pentru un diamant-2.4. De regulă, cu cât mediul este mai dens, cu atât este mai deviat fasciculul de lumină și, în consecință, cu atât este mai mare indicele de refracție.
Mirajele pot servi ca o demonstrație foarte clară a fenomenelor asociate refracției. Dacă tu, mergând de-a lungul autostrăzii într-o zi călduroasă, privește drept spre orizont, atunci drumul în locuri îți va părea strălucitor și va crea iluzia unei suprafețe de apă strălucitoare. În deșert, uneori puteți vedea contururile orașelor și munților îndepărtați la orizont. Acest lucru se întâmplă deoarece aerul încălzit deasupra stratului rutier sau a nisipului de deșert are o densitate mai mică și, în consecință, un indice de refracție mai mic decât aerul obișnuit și mai rece din jur; prin urmare, lumina de la obiecte îndepărtate poate fi refractată într-un strat de aer încălzit și apoi intră în ochi; asta îți dă iluzia că vezi cu adevărat obiecte îndepărtate.
De regulă, indicele de refracție este o valoare constantă. Un fascicul îngust de lumină, care pătrunde în sticlă, schimbă direcția, apoi continuă să se miște în linie dreaptă. Dar să presupunem pentru o clipă că suntem capabili să controlăm indicele de refracție, astfel încât în fiecare punct al geamului să se poată schimba constant într-un mod dat, Lumina, mișcându-se într-un material atât de nou, ar putea schimba direcția în mod arbitrar; calea razei în acest mediu s-ar meandro ca un șarpe.
Dacă a fost posibil să se controleze indicele de refracție într-un metamaterial, astfel încât lumina să se îndoaie în jurul unui anumit obiect, atunci acest obiect va deveni invizibil. Pentru a obține un astfel de efect, indicele de refracție dintr-un metamaterial trebuie să fie negativ, dar orice manual de optică spune că acest lucru este imposibil, (Metamaterialele au fost prezise pentru prima dată teoretic în opera fizicianului sovietic Viktor Veselago în 1967. Veselago a fost cel care a arătat că aceste materiale trebuie să aibă astfel de proprietăți optice neobișnuite precum indicele de refracție negativ și efectul Doppler invers. Metamaterialele par atât de ciudate și chiar absurde încât la început. implementarea lor practică a fost considerată pur și simplu imposibilă. Cu toate acestea, în ultimii ani, în laborator au fost încă obținute metamateriale, ceea ce i-a obligat pe fizicieni să înceapă rescrierea manualelor pe optică.)
Cercetătorii care se ocupă de materiale meta sunt permanent enervați de jurnaliști cu întrebarea: când vor apărea în sfârșit pelerine de invizibilitate pe piață? Răspunsul poate fi formulat foarte simplu: nu în curând.
David Smith de la Duke University spune: „Reporterii apelează și cerșesc cel puțin un termen. În câte luni sau, să zicem, ani, se vor întâmpla. Apasă, apasă și apasă, iar până la urmă nu mai suporti și spun că poate peste cincisprezece ani. Și chiar acolo - un titlu al ziarului, nu? Cu cincisprezece ani înainte de mantia lui Harry Potter . De aceea, acum refuză să numească date.
Fanii lui Harry Potter sau Star Trek vor trebui să aștepte. Deși adevărata mantie de invizibilitate nu mai contravine legilor cunoscute ale naturii - așa cum majoritatea fizicienilor sunt de acord cu acest lucru - există încă multe obstacole tehnice dificile de depășit înainte ca această tehnologie să poată fi extinsă pentru a lucra cu lumină vizibilă și nu doar cu microunde. radiații.
În cazul general, dimensiunile structurilor interne încorporate în metamaterial trebuie să fie mai mici decât lungimea de undă a radiației. De exemplu, microundele pot avea o lungime de undă de ordinul a 3 cm, așa că, dacă dorim ca metamaterialul să îndoaie calea microundelor, trebuie să introducem implanturi mai mici de 3 cm. Dar pentru a face obiectul invizibil la lumina verde (cu o lungime de undă de 500 nm), metamaterialul ar trebui să aibă structuri încorporate doar cu o lungime de aproximativ 50 nm. Dar nanometrele sunt deja la scară atomică, iar nanotehnologia este necesară pentru a lucra cu asemenea dimensiuni. (Un nanometru este de o miliardime de metru. Un nanometru poate ține aproximativ cinci atomi.) Probabil aceasta este problema principală cu care va trebui să ne confruntăm atunci când creăm o adevărată mantie de invizibilitate. Pentru a vă îndoi, ca un șarpe, calea unui fascicul de lumină,ar trebui să modificăm atomi individuali în cadrul metamaterialului.
Metamateriale pentru lumină vizibilă
Așa a început cursa.
Imediat după anunțarea primirii primelor metamateriale în laborator, activitatea febrilă a început în această zonă. La fiecare câteva luni auzim despre idei revoluționare și descoperiri uimitoare. Scopul este clar: crearea de metamateriale folosind nanotehnologia care poate îndoi nu numai microundele, ci și lumina vizibilă. Mai multe abordări au fost deja propuse și toate par a fi destul de promițătoare.
Una dintre propuneri este utilizarea unor metode gata făcute, adică împrumutarea tehnologiilor utilizate ale industriei microelectronice pentru producerea de metamateriale. De exemplu, miniaturizarea computerelor se bazează pe tehnologia „fotolitografiei”; este și motorul revoluției computerizate. Această tehnologie permite inginerilor să plaseze sute de milioane de tranzistoare minuscule pe o placă de siliciu de dimensiunea unei miniaturi.
Puterea calculatoarelor se dublează la fiecare 18 luni (acest model se numește Legea lui Moore). Acest lucru se datorează faptului că oamenii de știință cu ajutorul radiațiilor ultraviolete „gravă” componente din ce în ce mai mici pe chipsurile de siliciu. Această tehnologie este foarte similară cu procesul prin care un model este stencilat pe un tricou colorat. (Inginerii computerelor încep cu un substrat subțire, pe care sunt suprapuse cele mai fine straturi din diverse materiale. Apoi, substratul este acoperit cu o mască de plastic care acționează ca un șablon. Modelul complex al conductoarelor, tranzistoarelor și componentelor computerului care stau la baza diagramei circuitului este pre-aplicat pe mască. Piesa de lucru este iradiată cu lumină UV tare, adică expus radiațiilor ultraviolete cu o lungime de undă foarte scurtă;această radiație, așa cum a fost, transferă modelul matricei pe un substrat sensibil la lumină. Apoi piesa de prelucrat este tratată cu gaze și acizi speciali, iar modelul complex al matricei este gravat pe substrat în acele locuri unde a fost expus radiațiilor ultraviolete. Rezultatul acestui proces este o placă cu sute de milioane de indentări minuscule care formează circuitele tranzistoarelor.) În prezent, cele mai mici componente care pot fi create folosind procedeul descris sunt de aproximativ 30 nm (sau aproximativ 150 de atomi). Rezultatul acestui proces este o placă cu sute de milioane de indentări minuscule care formează circuitele tranzistoarelor.) În prezent, cele mai mici componente care pot fi create folosind procedeul descris sunt de aproximativ 30 nm (sau aproximativ 150 de atomi). Rezultatul acestui proces este o placă cu sute de milioane de indentări minuscule care formează circuitele tranzistoarelor.) În prezent, cele mai mici componente care pot fi create folosind procedeul descris sunt de aproximativ 30 nm (sau aproximativ 150 de atomi).
O etapă marcantă pe drumul către invizibilitate a fost un experiment recent realizat de un grup de oameni de știință din Germania și Departamentul de Energie al SUA, în care procesul de gravare a unui substrat de siliciu a fost utilizat pentru a face primul metamaterial capabil să funcționeze în gama vizibilă a luminii. La începutul anului 2007, oamenii de știință au anunțat că metamaterialul creat de ei a afectat lumina roșie. „Imposibilul” a fost implementat într-un timp surprinzător de scurt.
Fizicianul Kostas Sukulis de la Laboratorul Ames și Universitatea de Stat din Iowa, împreună cu Stephan Linden, Martin Wegener și Gunnar Dolling de la Universitatea Karlsruhe din Germania, au reușit să creeze un metamaterial cu un indice de refracție de 0,6 pentru lumina roșie cu o lungime de undă de 780 nm. (Înainte de aceasta, recordul mondial pentru lungimea de undă a radiației care a fost „învelită” cu un metamaterial a fost de 1400 nm; aceasta nu mai este vizibilă, ci lumina infraroșie.)
Pentru început, oamenii de știință au luat o foaie de sticlă și i-au aplicat un strat subțire de argint, apoi un strat de fluorură de magneziu, apoi din nou un strat de argint; astfel, s-a obținut un „sandwich” cu fluor cu o grosime de numai 100 nm. Apoi, oamenii de știință au folosit tehnologia de gravare standard pentru a face multe găuri pătrate minuscule în acest sandwich (doar 100 nm lățime, mult mai puțin decât lungimea de undă a luminii roșii); rezultatul este o structură de zăbrele care amintește de o plasă de pescuit. Apoi au trecut un fascicul de lumină roșie prin materialul rezultat și au măsurat indicele de refracție, care a fost -0,6.
Autorii anticipează că tehnologia pe care au inventat-o va găsi o utilizare pe scară largă. Metamaterialele „pot duce într-o zi la un fel de superlens plate care funcționează în spectrul vizibil”, spune dr. Sukulis. "Acest obiectiv vă va permite să obțineți o rezoluție mai mare decât tehnologia tradițională și să distingeți detaliile care sunt semnificativ mai mici decât lungimea de undă a luminii." Evident, una dintre primele aplicații ale unui „superlens” ar fi fotografierea obiectelor microscopice cu o claritate fără precedent; putem vorbi despre fotografierea în interiorul unei celule umane vii sau despre diagnosticarea bolilor fătului din pântece. În mod ideal, va fi posibilă fotografierea componentelor unei molecule de ADN direct, fără utilizarea tehnicilor de cristalizare cu raze X brute.
Până acum, oamenii de știință au reușit să demonstreze un indice de refracție negativ doar pentru lumina roșie. Dar metoda trebuie dezvoltată, iar următorul pas este crearea unui metamaterial care ar putea încercui complet raza roșie în jurul obiectului, făcând-o invizibilă pentru lumina roșie.
O dezvoltare suplimentară poate fi de asemenea de așteptat în domeniul „cristalelor fotonice”. Scopul tehnologiei cu cristale fotonice este de a crea un cip care utilizează lumina în loc de electricitate pentru a procesa informații. Ideea este de a folosi nanotehnologia pentru a eticheta componente minuscule pe substrat, astfel încât indicele de refracție să se schimbe cu fiecare componentă. Tranzistoarele în care funcționează ușor au multe avantaje față de cele electronice. De exemplu, în cristalele fotonice există o pierdere de căldură mult mai mică. (Jetoanele complexe de siliciu generează suficientă căldură pentru a prăji un ou. Aceste jetoane trebuie să fie răcite continuu pentru a le feri, ceea ce este foarte scump.)
Nu este surprinzător faptul că tehnologia pentru producerea de cristale fotonice ar trebui să fie ideală pentru meta-materiale, deoarece ambele tehnologii implică manipularea indicelui de refracție a luminii la nano-scală.
Invizibilitatea prin plasmonice
Nevrând să fie depășit de rivali, un alt grup de fizicieni a anunțat la jumătatea anului 2007 crearea unui metamaterial capabil să rotească lumina vizibilă, bazată pe o tehnologie complet diferită numită plasmonică. Fizicienii Henri Lesek, Jennifer Dionne și Harry Atwater de la Institutul de Tehnologie din California au anunțat crearea unui metamaterial care are un indice de refracție negativ pentru regiunea mai albastru-verde a spectrului vizibil.
Scopul plasmonicelor este „stoarcerea” luminii în acest fel, astfel încât obiectele să poată fi manipulate la nano-scală, în special pe suprafețele metalice. Motivul pentru conductivitatea electrică a metalelor constă în faptul că electronii din atomii metalici sunt slab legați de nucleu și se pot deplasa liber de-a lungul suprafeței rețelelor metalice. Electricitatea care trece prin firele din casa dvs. este un flux lin al acestor electroni legați ușor pe o suprafață metalică. Dar în anumite condiții, când un fascicul de lumină atinge o suprafață metalică, electronii pot vibra la unison cu lumina. În acest caz, mișcările în formă de undă ale electronilor apar pe suprafața metalului (aceste unde se numesc plasmone) în timp, cu oscilațiile câmpului electromagnetic deasupra metalului. Mai important, aceste plasmone pot fi „comprimate” astfel încât să aibă aceeași frecvență ca șica fascicul de lumină original (ceea ce înseamnă că vor purta aceleași informații), dar o lungime de undă mult mai scurtă. În principiu, aceste unde comprimate pot fi apoi strecurate în nanofire. Ca și în cazul cristalelor fotonice, scopul final al plasmonicelor este de a crea cipuri de computer care să funcționeze ușor, nu electricitate.
Un grup de la California Tech și-a construit metamaterialul cu două straturi de argint și un strat izolant de azot siliciu (doar 50 nm grosime) între ele. Acest strat acționează ca un "ghid de undă" capabil să direcționeze undele plasmonice în direcția dorită. Un fascicul laser intră în dispozitiv printr-o tăietură de fante în metamaterial; trece prin ghidul de undă și apoi iese prin a doua fanta. Dacă analizați unghiurile la care este îndoit un fascicul laser la trecerea printr-un metamaterial, puteți determina dacă materialul are un indice de refracție negativ pentru lumină cu o lungime de undă dată.
Viitorul metamaterialelor
Progresul în studiul metamaterialelor în viitor se va accelera din simplul motiv că există deja un mare interes pentru crearea tranzistoarelor care funcționează pe un fascicul de lumină în loc de electricitate. Prin urmare, putem presupune că cercetările în domeniul invizibilității vor putea „duce la plimbare”, adică să profităm de rezultatele cercetărilor deja în curs pentru a crea un înlocuitor pentru un cip de siliciu folosind cristale fotonice și plasmonice. Deja astăzi, sute de milioane de dolari sunt investiți în dezvoltarea unei tehnologii concepute pentru a înlocui cipurile de siliciu, iar cercetările în domeniul metamaterialelor vor beneficia și ele.
În prezent, noi descoperiri majore în acest domeniu sunt făcute la fiecare câteva luni, astfel încât nu este surprinzător faptul că unii fizicieni se așteaptă ca primele probe de un adevărat scut de invizibilitate să apară în laborator în câteva decenii. Așadar, oamenii de știință sunt siguri că vor putea crea metamateriale în următorii ani, care pot face ca un obiect să fie complet invizibil, cel puțin în două dimensiuni, pentru lumina vizibilă cu orice frecvență anume. Pentru a obține acest efect, va fi necesară introducerea de nanoimplante minuscule în metamaterial nu în rânduri regulate, ci într-un model complex, astfel încât lumina să se încline fără probleme în jurul obiectului ascuns.
În continuare, oamenii de știință vor trebui să inventeze și să creeze metamateriale care pot îndoi lumina în trei dimensiuni, nu doar pe suprafețe plane bidimensionale. Fotolitografia este o tehnologie dovedită pentru producerea circuitelor plate de siliciu; crearea de metamateriale tridimensionale va necesita cel puțin un aranjament complex al mai multor diagrame plane.
După aceea, oamenii de știință vor trebui să rezolve problema creării de metamateriale care îndoaie lumina nu de o frecvență, ci de mai multe - sau, să zicem, o bandă de frecvențe. Aceasta este probabil cea mai dificilă sarcină, deoarece toate implanturile minuscule dezvoltate până acum nu fac decât să reflecte lumina cu o frecvență precisă. Oamenii de știință ar trebui să se confrunte cu metamateriale cu mai multe straturi, unde fiecare strat va acționa cu o frecvență specifică. Încă nu este clar care va fi soluția acestei probleme.
Dar scutul invizibilității, chiar și după ce în cele din urmă a fost creat în laborator, este posibil să nu fie deloc ceea ce ne dorim, cel mai probabil, va fi un dispozitiv greu și nepoluant. Mantia lui Harry Potter era cusută dintr-o țesătură subțire și moale și a făcut invizibil pe oricine s-a înfășurat în ea. Dar pentru ca un astfel de efect să fie posibil, indicele de refracție din interiorul țesutului trebuie să se modifice constant într-o manieră complexă, în conformitate cu vibrațiile țesutului și mișcările persoanei. Acest lucru este practic. Cel mai probabil, mantia de invizibilitate, cel puțin inițial, va fi un cilindru solid de metamaterial. În acest caz, indicele de refracție din interiorul cilindrului poate fi făcut constant. (În modele mai avansate, în timp, pot apărea metamateriale flexibile care se pot îndoi și, în același timp, păstrează lumina în interiorul lor pe calea cea bună.cine va fi în interiorul „mantiei” va obține o anumită libertate de mișcare.)
Scutul de invizibilitate are un dezavantaj, care a fost deja subliniat în mod repetat: cel care se află în interior nu poate privi afară fără să devină vizibil. Imaginează-ți Harry Potter doar cu ochii vizibili; în timp ce par să plutească prin aer la înălțimea corespunzătoare. Orice orificiu al mantiei de invizibilitate ar fi clar vizibil din exterior. Dacă îl faci pe Harry Potter complet invizibil, atunci va trebui să stea orb și în întuneric complet sub mantia lui. (O posibilă soluție la această problemă ar fi două ochelari mici în fața ochilor. Acești ochelari ar acționa ca „împărțitori de fascicule”; aceștia ar fi ciupitori și direcționați o mică porțiune de lumină care cade pe ei în ochi. Cea mai mare parte a luminii care cădea pe mantie era s-ar ocoli, făcând persoana invizibilă în interior, dar unele, foarte mici,o parte din ea s-ar separa și ar intra în ochi.)
Fără îndoială, obstacolele în calea invizibilității sunt foarte grave, dar oamenii de știință și inginerii sunt optimiști și cred că se poate crea un scut de invizibilitate de un fel sau altul în următoarele câteva decenii.
Invizibilitate și nanotehnologie
După cum am menționat deja, cheia invizibilității poate fi dezvoltarea nanotehnologiei, adică. capacitatea de a manipula structuri de dimensiuni atomice (aproximativ o miliardime de metru peste).
Momentul nașterii nanotehnologiei se numește faimoasa prelegere cu titlul ironic „În partea de jos este plină de spațiu”, care a fost livrată de laureatul Nobel Richard Feynman înaintea Societății Americane de Fizică din 1959. În această prelegere, a vorbit despre modul în care ar putea arăta cele mai mici mașini în conformitate cu cele cunoscute noi după legile fizicii. Feynman și-a dat seama că dimensiunea mașinilor va fi din ce în ce mai mică până când se vor apropia de dimensiunea unui atom și atunci atomii înșiși ar putea fi folosiți pentru a crea mașini noi. El a concluzionat că cele mai simple mașini atomice precum un bloc, o pârghie sau o roată nu contrazic legile fizicii, dar va fi extrem de dificil să le fabricăm.
Timp de mulți ani, nanotehnologia a lăsat în uitare - pur și simplu pentru că tehnologia vremii nu a permis manipularea atomilor individuali. Dar în 1981, a existat o descoperire - fizicienii Gerd Binnig și Heinrich Rohrer din laboratorul IBM din Zurich au inventat microscopul cu tunel de scanare, care ulterior le-a câștigat Premiul Nobel pentru fizică.
Oamenii de știință au reușit dintr-o dată să obțină „imagini” uimitoare ale atomilor individuali combinați în structuri - exact aceleași ca în mod obișnuit în cărțile despre chimie; la un moment dat, criticii teoriei atomice au considerat acest lucru imposibil. Acum era posibil să obțineți fotografii magnifice ale atomilor dispuse în rânduri în structura corectă a unui cristal sau metal. Formulele chimice cu care oamenii de știință au încercat să reflecte structura complexă a moleculei puteau fi acum văzute cu ochiul liber. Mai mult, microscopul de scanare a tunelului a făcut posibilă manipularea atomilor individuali. Descoperitorii au scos scrisorile IBM de la atomi individuali, ceea ce a făcut o adevărată senzație în lumea științifică. Oamenii de știință nu mai sunt orbi în lumea atomilor individuali; au putut să vadă și să lucreze cu atomii.
Principiul de funcționare al unui microscop cu tunel de scanare este înșelător de simplu. La fel cum un gramofon scanează un disc cu un ac, acest microscop trece lent o sondă ascuțită peste substanța studiată. (Vârful acestei sonde este atât de ascuțit încât se termină într-un singur atom.) Sonda are o sarcină electrică slabă; un curent electric curge de la capătul său prin materialul studiat până la suprafața conductivă de sub el. Când sonda trece peste fiecare atom, curentul se schimbă ușor; modificările de curent sunt înregistrate cu atenție. Creșterea și căderea curentului când acul trece peste atom foarte precis și reflectă în detaliu conturul acestuia. După prelucrarea și prezentarea în formă grafică a datelor privind fluctuațiile actuale pentru un număr mare de treceri, puteți obține o imagine frumoasă a atomilor individuali care formează o grilă spațială.
(Un microscop de tunel de scanare poate exista datorită unei legi ciudate a fizicii cuantice. De obicei, electronii nu au suficientă energie pentru a călători de la vârful sondei în substrat prin stratul de materie. Dar, conform principiului incertitudinii, există o mică posibilitate ca electronii să „tuneleze”, adică. Adică aceștia pătrund în barieră, deși acest lucru este în contradicție cu teoria newtoniană, de aceea curentul care trece prin material este atât de sensibil la efectele cuantice subtile din ea.
În plus, sonda microscopului este suficient de sensibilă pentru a muta atomii individuali și a construi „mașini” simple de la ei. În acest moment, această tehnologie este atât de avansată încât puteți vedea un grup de atomi pe un ecran de computer și, pur și simplu mutând cursorul, mutați atomi individuali într-un mod arbitrar. Zeci de atomi pot fi manipulate la fel de ușor ca cărămizile Lego. Nu poți doar să scrii scrisori de la atomi, ci și să creezi jucării, cum ar fi, de exemplu, abacus, unde sunt asamblate articole dintr-un singur atom. Pentru aceasta, atomii sunt dispuse pe o suprafață echipată cu caneluri verticale. Fullerenele sferice („mingi de fotbal” compuse din atomi de carbon individuali) sunt introduse în caneluri. Aceste bile de carbon servesc ca oasele conturilor atomice, deplasându-se în sus și în jos pe canelurile lor.
De asemenea, puteți tăia dispozitivele atomice cu fascicule de electroni. De exemplu, oamenii de știință de la Universitatea Cornell au sculptat din siliciu cristalin cea mai mică chitară din lume, a cărei dimensiune este de 20 de ori mai mică decât grosimea unui păr uman. Chitara are șase coarde, fiecare cu o sută de atomi grosime, care pot fi trase cu un microscop de forță atomică. (Chitara va cânta într-adevăr muzică, dar frecvențele pe care le produce sunt cu mult peste audibilitatea urechii umane.)
În zilele noastre, aproape toate „nanomacinele” sunt doar jucării. Mașini mai complexe cu angrenaje și rulmenți nu au fost încă create. Dar mulți ingineri sunt siguri că timpul pentru mașini atomice reale este pe drum. (În natură, astfel de mașini există. Organisme cu o singură celulă sunt capabile să plutească liber în apă, din cauza mișcărilor firelor de păr minuscule. Dar dacă luați în considerare cu atenție legătura dintre un păr și o celulă, devine clar că este mașina atomică care permite unui păr să se miște arbitrar în toate direcțiile. Prin urmare, una dintre modalitățile de dezvoltare a nanotehnologiei este o copie a naturii, care a stăpânit producția de mașini atomice acum miliarde de ani.)
Holograme și invizibilitate
Un alt mod de a face o persoană oarecum invizibilă este să fotografiezi vederea din spatele său și apoi să proiectezi acea imagine direct pe îmbrăcămintea persoanei sau pe un fel de ecran în fața sa. Dacă te uiți din față, se va părea că persoana a devenit transparentă și lumina trece cumva prin corpul său.
Acest proces, cunoscut sub denumirea de „îmbrăcăminte optică”, a fost urmărit serios, în special, de Naoki Kawakami de la Laboratorul Tachi al Universității din Tokyo. El spune: "Această tehnologie ar putea fi folosită pentru a ajuta piloții să vadă pista prin podeaua din cabina de pilotaj sau pentru a ajuta șoferii să privească în jur atunci când parchează." Mantia lui Kawakami este acoperită de mărgele reflectorizante minuscule care acționează ca un ecran de film. Ce se întâmplă din spate este filmat cu o cameră video. Această imagine merge apoi către un videoproiector, care, la rândul său, îl proiectează pe mantia din față. Se pare că lumina pătrunde în persoană prin și prin.
În laborator au fost deja create prototipuri de pelerine de ploaie cu sistem optic de camuflaj. Dacă te uiți direct din față la o persoană aflată într-o astfel de mantie, se pare că dispare, pentru că vezi doar o imagine a ceea ce se întâmplă în urmă. Dar dacă tu, și cu tine ochii, te miști puțin, iar imaginea de pe mantie rămâne aceeași, va deveni clar că aceasta este doar o înșelăciune. Într-un sistem de cloaking optic mai realist, va fi necesară crearea iluziei unei imagini tridimensionale. Aceasta va necesita holograme.
O hologramă este o imagine 3D creată de lasere (gândiți-vă la imaginea 3D a prințesei Leia în Star Wars). Puteți face o persoană invizibilă fotografiind fundalul din spatele său folosind o cameră holografică specială și apoi recreați-o pe un ecran holografic special din fața sa. Observatorul va vedea un ecran holografic în fața sa cu o imagine a tot ceea ce este de fapt în față, cu excepția unei persoane. Va arăta ca și cum persoana tocmai a dispărut. În locul său va fi o imagine 3D precisă a fundalului. Nici după mutare, nu vei putea înțelege că în fața ta există un fals.
Crearea unor astfel de imagini tridimensionale este posibilă datorită „coerenței” luminii laser, adică. faptul că oscilațiile electromagnetice din ea apar strict la unison. Pentru a construi o hologramă, un fascicul laser coerent este împărțit în două părți. O jumătate este direcționată către filmul fotografic, cealaltă - către același film fotografic, dar după reflectarea de la obiect. Când cele două jumătăți ale fasciculului intervin, pe film apare un model de interferență, care conține toate informațiile despre fasciculul tridimensional original. Filmul după dezvoltare nu pare foarte promițător - este vizibil doar un web de linii și bucle de neînțeles. Dar dacă treceți un fascicul laser prin acest film, o copie tridimensională exactă a obiectului apare în aer, ca prin magie.
Cu toate acestea, invizibilitatea holografică pune probleme foarte grave cercetătorilor. Una dintre ele este crearea unei camere holografice capabile să facă cel puțin 30 de poze pe secundă. Altă este stocarea și procesarea tuturor acestor informații. În cele din urmă, va trebui să proiectați imaginea pe ecran, astfel încât să pară realistă.
Invizibilitatea prin a patra dimensiune
Trebuie menționat un alt mod, mult mai viclean, de a deveni invizibil, așa cum a subliniat H. G. Wells în romanul Omul invizibil. Această metodă implică utilizarea capabilităților celei de-a patra dimensiuni. (Mai târziu în această carte, voi vorbi mai multe despre existența posibilă a dimensiunilor superioare.) Poate o persoană să părăsească universul nostru tridimensional și să treacă deasupra lui în a patra dimensiune, observând ce se întâmplă din lateral? La fel ca un fluture tridimensional care flutura pe o foaie de hârtie bidimensională, o astfel de persoană ar fi invizibilă pentru orice locuitor al universului de mai jos. Singura problemă este că existența unor dimensiuni mai mari nu a fost încă dovedită. Mai mult, o călătorie ipotetică într-una dintre aceste dimensiuni ar necesita mult mai multă energie decât avem în prezent în stadiul actual al tehnicii. Dacă vorbim despre modalități reale de a realiza invizibilitatea, atunci această metodă, evident, depășește cu mult cunoștințele și capacitățile noastre actuale.
Având în vedere progresul extraordinar făcut deja pe drumul către invizibilitate, cred că îl putem clasifica în siguranță drept imposibilitate de clasa I. Invizibilitatea unui fel sau altul poate deveni obișnuită în următoarele câteva decenii, cel puțin până la sfârșitul secolului.
