V Star Trek IV: The Voyage Home posádka Enterprise zachytila klingonský bojový krížnik. Na rozdiel od lodí Federácie Hviezdnej flotily sú lode Klingonskej ríše vybavené tajným „maskovacím zariadením“, vďaka ktorému sú neviditeľné pre oko a radar. Toto zariadenie umožňuje, aby klingonské lode zostali bez povšimnutia za chvostom lodí Federácie a beztrestne udreli. Vďaka maskovaciemu zariadeniu má klingonská ríša oproti Federácii planét strategickú výhodu.
Je také zariadenie skutočne možné? Neviditeľnosť sa už dávno stala jedným z obvyklých zázrakov sci-fi a fantasy diel - od „Neviditeľného človeka“po magický neviditeľný plášť Harryho Pottera alebo prsteň od „Pán prsteňov“. Fyzici však najmenej sto rokov jednomyseľne popreli možnosť vytvorenia plášťov neviditeľnosti a jednoznačne vyhlásili, že je to nemožné: plášťy, hovoria, porušujú zákony optiky a nesúhlasia so žiadnymi známymi vlastnosťami hmoty.
Ale dnes je možné nemožné. Pokroky v oblasti „metamateriálov“si vyžadujú významnú revíziu učebníc o optike. Pracovné vzorky takýchto materiálov vytvorené v laboratóriu sú predmetom veľkého záujmu médií, priemyselníkov a armády; každý sa zaujíma o to, ako zviditeľniť viditeľné.
Neviditeľnosť v histórii
Neviditeľnosť je možno jedným z najstarších konceptov starovekej mytológie. Od začiatku času človek, ktorý zostal sám v strašidelnom tichu noci, pocítil prítomnosť neviditeľných bytostí a bál sa ich. Všade okolo neho v temnote číhal duchovia mŕtvych - duše tých, ktorí išli pred ním. Gréckemu hrdinovi Perseusovi, ktorý bol vyzbrojený neviditeľnou prilbou, sa podarilo zabiť zlého gorgona Medusu. Generáli všetkých čias snívali o maskovacom zariadení, ktoré by im umožnilo stať sa nepriateľom neviditeľným. Použitím neviditeľnosti by sa dalo ľahko preniknúť do obrannej línie nepriateľa a prekvapiť ho. Zločinci by mohli neviditeľnými zločincami zneužiť zločin.
V Platónovej teórii etiky a morálky zohrala hlavnú úlohu neviditeľnosť. Vo svojom filozofickom diele „Štát“nám Platón povedal mýtus o gigánskom kruhu. V tomto mýte chudobný, ale čestný pastier Gigus z Lydie vstúpi do tajnej jaskyne a nájde tam hrobku; vidí prst na tele mŕtvoly. Gig ďalej zistí, že prsteň má magické schopnosti a môže ho zviditeľniť. Chudák pastier je doslova opitý s mocou, ktorú mu prsteň dal. Po vstupe do kráľovského paláca zvádza Gigus kráľovnou prsteň a potom pomocou nej zabije kráľa a stane sa ďalším kráľom Lydie.
Morál, ktorý Platón vyvodil z tohto príbehu, je taký, že nikto nie je schopný odolať pokušeniu vziať niekoho iného a zabiť beztrestne. Ľudia sú slabí a morálka je sociálny fenomén, ktorý musí byť implantovaný a podporovaný zvonka. Na verejnosti môže človek dodržiavať morálne štandardy, aby vyzeral slušne a čestne a zachoval si svoju povesť, ale ak mu dáte príležitosť stať sa neviditeľným, nebude schopný odolať a určite využije svoju novú moc. (Niektorí veria, že toto morálne podobenstvo inšpirovalo JRR Tolkena k vytvoreniu trilógie Pána prsteňov; prsteň, vďaka ktorému je jeho majiteľ neviditeľný, je tiež zdrojom zla.)
Propagačné video:
V sci-fi je neviditeľnosť jednou z najbežnejších zápletiek. V 30. rokoch komiks. „Flash Gordon“Flash sa stáva neviditeľným, aby sa skryl pred palebným tímom darebáka Ming the Ruthless. V románoch a filmoch o Harrym Potterovi sa hlavná postava, ktorá si oblieka magický plášť, môže bez povšimnutia putovať okolo hradu Bradavice.
H. G. Wells, v klasickom románe Neviditeľný muž, stelesnil zhruba rovnaké myšlienky v konkrétnej podobe. V tomto románe študent medicíny náhodne objaví možnosti štvrtej dimenzie a stáva sa neviditeľným. Získané fantastické príležitosti bohužiaľ využíva na osobný zisk, dopúšťa sa celého radu drobných trestných činov a nakoniec zomiera v zúfalej snahe o útek z polície.
Maxwellove rovnice a tajomstvo svetla
Fyzici získali relatívne jasné pochopenie zákonov optiky relatívne nedávno ako výsledok práce škótskeho Jamesa Clerk Maxwella, jedného z obrov fyziky v 19. storočí. V istom zmysle bol Maxwell úplným opakom Faraday. Ak mal Faraday vynikajúci zmysel pre experimentátora, ale nemal formálne vzdelanie, jeho súčasný Maxwell bol majstrom vyššej matematiky. Vyštudoval matematickú fyziku s vyznamenaním v Cambridge, kde Isaac Newton pracoval dve storočia pred ním.
Newton vynašiel diferenciálny počet - v jazyku diferenciálnych rovníc popisuje, ako objekty neustále prechádzajú nekonečne malými zmenami v čase a priestore. Pohyb morských vĺn, tekutín, plynov a delových guľôčok sa dá popísať pomocou diferenciálnych rovníc. Maxwell začal pracovať s jasným cieľom: vyjadriť Faradayove revolučné objavy a jeho fyzikálne polia pomocou presných diferenciálnych rovníc.
Maxwell začal Faradayovým tvrdením, že elektrické polia sa môžu zmeniť na magnetické a naopak. Fotografoval fyzikálne polia, ktoré nakreslil Faraday, a zapísal ich do presného jazyka diferenciálnych rovníc. Výsledkom bolo získanie jedného z najdôležitejších systémov rovníc v modernej vede. Je to systém ôsmich diferenciálnych rovníc dosť strašidelného druhu. Každý fyzik a technik na svete sa musel nad nimi potiť naraz a zvládnuť elektromagnetizmus v ústave.
Potom si Maxwell položil osudovú otázku: ak sa môže magnetické pole zmeniť na elektrické pole a naopak, čo sa stane, ak sa neustále menia z jedného na druhé v nekonečnej sérii premien? Maxwell zistil, že takéto elektromagnetické pole by generovalo vlnu podobnú oceánu. Vypočítal rýchlosť pohybu takýchto vĺn a na svoje vlastné prekvapenie zistil, že sa rovná rýchlosti svetla! V roku 1864, keď zistil túto skutočnosť, prorocko napísal: „Táto rýchlosť je tak blízko rýchlosti svetla, že sa zdá, že máme všetky dôvody k záveru, že samotné svetlo … je elektromagnetické rušenie.“
Tento objav sa možno stal jedným z najväčších v histórii ľudstva - tajomstvo svetla bolo konečne odhalené! Maxwell si náhle uvedomil, že všetko - žiara letného svitania a zúrivé lúče zapadajúceho slnka a oslnivé farby dúhy a hviezdy na nočnej oblohe - možno opísať pomocou vĺn, ktoré náhodne zobrazil na papieri. Dnes chápeme, že celé elektromagnetické spektrum: radarové signály, mikrovlnné žiarenie a televízne vlny, infračervené, viditeľné a ultrafialové svetlo, röntgenové lúče a gama lúče nie sú ničím iným ako Maxwellovskou vodou; a tieto zase predstavujú vibrácie Faradayových fyzikálnych polí.
Keď hovoríme o význame Maxwellových rovníc, Einstein napísal, že ide o „najhlbšiu a najplodnejšiu vec, ktorú fyzika zažila od doby Newtona“.
(Je tragické, že Maxwell, jeden z najväčších fyzikov 19. storočia, zomrel vo veku 48 rokov dostatočne mladý na rakovinu žalúdka - pravdepodobne to isté ochorenie, ktoré v tom veku zabilo jeho matku. Ak žil dlhšie, mohol uspieť by zistil, že jeho rovnice umožňujú skreslenie času a času, čo vedie priamo k Einsteinovej teórii relativity. Myšlienka, že keby Maxwell žil dlhšie a teória relativity sa mohla objaviť počas americkej občianskej vojny, je šokujúca.)
Maxwellova teória svetla a atómová teória štruktúry hmoty dávajú optike a neviditeľnosti jednoduché vysvetlenie. V pevnej látke sú atómy pevne uložené, zatiaľ čo v kvapaline alebo plyne je vzdialenosť medzi molekulami oveľa väčšia. Väčšina tuhých látok je nepriehľadná, pretože svetelné lúče nemôžu prechádzať hustou sústavou atómov, ktoré pôsobia ako tehlová stena. Mnoho tekutín a plynov je naopak priehľadných, pretože ľahšie prechádza svetlo medzi vzácnymi atómami, ktorých vzdialenosť je väčšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla. Napríklad voda, alkohol, amoniak, acetón, peroxid vodíka, benzín a ďalšie kvapaliny sú priehľadné, rovnako ako priehľadné a plyny ako kyslík, vodík, dusík, oxid uhličitý, metán atď.
Z tohto pravidla existuje niekoľko dôležitých výnimiek. Mnoho kryštálov je pevných aj priehľadných. Atómy v kryštáli sú však umiestnené na miestach pravidelnej priestorovej mriežky a tvoria pravidelné riadky s rovnakými intervalmi medzi nimi. Výsledkom je, že v kryštálovej mriežke je vždy veľa ciest, cez ktoré môže prechádzať lúč svetla. Preto, hoci atómy v kryštáli sú balené nie hustejšie ako v ktorejkoľvek inej pevnej látke, svetlo ich stále dokáže preniknúť.
Za určitých okolností sa môže stať priehľadným aj pevný objekt s náhodne rozmiestnenými atómami. U niektorých materiálov sa tento účinok dá dosiahnuť zahriatím predmetu na vysokú teplotu a jeho rýchlym ochladením. Napríklad sklo je tuhá látka, ktorá má vďaka náhodnému usporiadaniu atómov mnoho vlastností kvapaliny. Týmto spôsobom môžu byť niektoré cukríky tiež transparentné.
Je zrejmé, že neviditeľnosť vlastnosť vzniká na atómovej úrovni podľa Maxwellových rovníc, a preto je veľmi ťažké, ak nie nemožné, reprodukovať ju pomocou konvenčných metód. Aby bol Harry Potter neviditeľný, musí byť zlikvidovaný, uvarený a premenený na paru, vykryštalizovaný, zahriaty a ochladený - musíte súhlasiť, že každá z týchto akcií by bola pre čarodejníka veľmi ťažká.
Armáda, ktorá nedokázala stavať neviditeľné lietadlá, sa pokúsila urobiť jednoduchšiu vec: vytvorili technológiu hviezd, ktorá robí lietadlo neviditeľným pre radary. Technológia Stele založená na Maxwellových rovniciach vykonáva sériu trikov. Stele jet bojovník je ľahko vidieť voľným okom, ale na nepriateľskej radarovej obrazovke, jeho obraz je zhruba veľkosť veľkého vtáka. (Technológia Stele je v skutočnosti kombináciou niekoľkých úplne odlišných trikov. Vždy, keď je to možné, sú konštrukčné materiály bojovníka nahradené radarovo priehľadnými materiálmi: namiesto ocele sa používajú rôzne plasty a živice; menia sa trupové uhly; dizajn dýzy motora atď. všetky tieto triky môžu spôsobiť, že nepriateľský lúč radaru dopadne na rovinu,rozptylujte všetkými smermi a nevracajte sa do prijímacieho zariadenia. Ale ani s touto technológiou sa bojovník nestane úplne neviditeľným; iba vychyľuje a rozptyľuje radarový lúč tak, ako je to technicky možné.)
Metamateriály a neviditeľnosť
Snáď najsľubnejší nedávny pokrok v neviditeľnosti je exotický nový materiál známy ako „metamateriál“; je možné, že jedného dňa urobí objekty skutočne neviditeľnými. Je to smiešne, ale raz existencia metamateriálov bola považovaná za nemožnú, pretože porušujú zákony optiky. Ale v roku 2006 vedci z Duke University v Durhame, Severnej Karolíne a Imperial College London úspešne vyvrátili túto konvenčnú múdrosť a pomocou metamateriálov urobili objekt neviditeľným pre mikrovlnné žiarenie. Na tejto ceste je stále dosť prekážok, ale ľudstvo má prvýkrát v histórii techniku, ktorá umožňuje neviditeľné obyčajné objekty. (Tento výskum bol financovaný agentúrou DARPA, Agentúrou pre projekty obranného pokročilého výskumu.)
Nathan Myhrvold, bývalý hlavný technológ spoločnosti Microsoft, tvrdí, že revolučná sila metamateriálov „úplne zmení spôsob, akým pristupujeme k optike a takmer ku všetkým aspektom elektroniky … Niektoré metamateriály sú schopné fungovať tak, ako by sa pred desiatkami rokov javili ako zázraky“.
Čo sú metamateriály? Sú to látky s optickými vlastnosťami, ktoré v prírode neexistujú. Keď sa vytvoria metamateriály, malé implantáty sa vložia do hmoty, čo núti elektromagnetické vlny k neštandardným cestám. Na Duke University vedci vložili veľa malých elektrických obvodov do medených pások položených v plochých sústredných kruhoch (všetko trochu ako varná doska). Výsledkom je zložitá štruktúra vyrobená z keramiky, teflónu, kompozitných vlákien a kovových komponentov. Drobné implantáty prítomné v medi umožňujú vychýlenie mikrovlnného žiarenia a jeho nasmerovanie po vopred určenej ceste. Predstavte si rieku tečúcu okolo balvanu. Voda sa veľmi rýchlo otáča okolo kameňapreto jej prítomnosť na dolnom toku žiadnym spôsobom neovplyvňuje a nie je možné ho odhaliť. Podobne sú metamateriály schopné plynulo meniť cestu mikrovĺn tak, že tečú okolo, povedzme, určitého valca, a tak robia všetko vnútri tohto valca neviditeľným pre rádiové vlny. Ak metamateriál dokáže tiež odstrániť všetky odrazy a tiene, objekt sa stane pre túto formu žiarenia úplne neviditeľným.
Vedci úspešne demonštrovali tento princíp pomocou zariadenia zloženého z desiatich krúžkov zo sklenených vlákien pokrytých medenými prvkami. Medený krúžok vo vnútri zariadenia bol takmer neviditeľný pre mikrovlnné žiarenie; iba vrhá slabý tieň.
Neobvyklé vlastnosti metamateriálov sú založené na ich schopnosti kontrolovať parameter známy ako „index lomu“. Refrakcia - vlastnosť svetla meniť smer šírenia pri priechode priehľadným materiálom. Ak dáte ruku do vody alebo sa len pozriete cez šošovky vašich okuliarov, všimnete si, že voda a sklo sa vychyľujú a skresľujú cestu obyčajných svetelných lúčov.
Dôvod vychýlenia svetelného lúča v skle alebo vode je ten, že sa svetlo spomaľuje, keď vstupuje do hustého priehľadného materiálu. Rýchlosť svetla v ideálnom vákuu je konštantná, ale v skle alebo vode svetlo „stlačí“cez zhluk biliónov atómov, a preto sa spomaľuje. (Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v médiu sa nazýva index lomu. Pretože svetlo sa v akomkoľvek médiu spomaľuje, index lomu je vždy väčší ako jeden.) Napríklad index lomu pre vákuum je 1,00; pre vzduch -1 0003; pre sklo-1,5; pre diamant-2.4. Čím hustejšie je médium, tým viac vychyľuje svetelný lúč a tým vyšší index lomu.
Zázraky môžu slúžiť ako veľmi jasná ukážka javov spojených s lomom. Ak sa počas horúceho dňa po diaľnici budete pozerať priamo vpred, potom sa vám zdá, že cesta bliká v miestach a vytvorí ilúziu perlivej vodnej hladiny. V púšti niekedy vidíte obrysy vzdialených miest a hôr na obzore. Stáva sa to preto, že vzduch zohriaty nad cestným alebo púštnym pieskom má nižšiu hustotu a podľa toho nižší index lomu ako okolitý normálny chladnejší vzduch; preto svetlo zo vzdialených predmetov môže byť lámané vo vyhrievanej vrstve vzduchu a potom vstupovať do oka; to vám dáva ilúziu, že skutočne vidíte vzdialené objekty.
Index lomu je spravidla konštantná hodnota. Úzky lúč svetla, ktorý preniká do skla, mení smer a potom sa ďalej pohybuje v priamke. Ale na chvíľu predpokladajme, že sme schopní kontrolovať index lomu, aby sa v každom bode skla mohol neustále meniť daným spôsobom, Svetlo, pohybujúce sa v takom novom materiáli, by mohlo svojvoľne meniť smer; cesta lúča v tomto prostredí by sa meandrovala ako had.
Ak by bolo možné kontrolovať index lomu v metamateriále tak, aby sa svetlo ohýbalo okolo určitého objektu, tento objekt sa stane neviditeľným. Aby sa dosiahol takýto účinok, index lomu v metamateriáli musí byť negatívny, ale akákoľvek učebnica optiky hovorí, že je to nemožné, (Metamateriály sa prvýkrát teoreticky predpovedali v práci sovietskeho fyzika Viktora Veselaga v roku 1967. Bolo to práve Veselago, ktorý preukázal, že tieto materiály musia mať také nezvyčajné optické vlastnosti, ako je negatívny index lomu a inverzný Dopplerov efekt. ich praktická implementácia sa považovala za jednoducho nemožnú. V posledných rokoch sa však metamateriály stále získavali v laboratóriu, čo donútilo fyzikov začať prepisovať učebnice o optike.)
Vedci, ktorí sa zaoberajú meta materiálmi, novinári neustále otravujú otázkou: Kedy sa na trhu konečne objavia plášte neviditeľnosti? Odpoveď sa dá formulovať veľmi jednoducho: nie čoskoro.
David Smith z Duke University hovorí: „Reportéri volajú a prosia aspoň o termín. O koľko mesiacov alebo, napríklad, rokov sa to stane. Tlačia, tlačia a tlačia a nakoniec to nemôžete vydržať a povedať, že možno za pätnásť rokov. A tam - novinový titulok, však? Pätnásť rokov pred plášťom Harryho Pottera. “Preto teraz odmieta vymenovať akékoľvek dátumy.
Fanúšikovia Harryho Pottera alebo Star Trek budú pravdepodobne musieť počkať. Aj keď skutočný plášť neviditeľnosti už nie je v rozpore so známymi prírodnými zákonmi - a väčšina fyzikov s tým v súčasnosti súhlasí - vedci stále čelia mnohým ťažkým technickým prekážkam, než sa táto technológia dá rozšíriť na prácu s viditeľným svetlom, nielen na mikrovlnné žiarenie. radiácie.
Všeobecne by rozmery vnútorných štruktúr zabudovaných do metamateriálu mali byť menšie ako vlnová dĺžka žiarenia. Napríklad mikrovlny môžu mať vlnovú dĺžku rádovo 3 cm, takže ak chceme, aby metamateriál ohýbal cestu mikrovĺn, musíme doň vložiť implantáty menšie ako 3 cm. Ale aby bol objekt neviditeľný pre zelené svetlo (s vlnovou dĺžkou 500 nm), metamateriál by mal mať zabudované štruktúry dlhé iba asi 50 nm. Ale nanometre sú už atómové meradlá a nanotechnológia musí pracovať s takýmito veľkosťami. (Nanometer je jedna miliardtina metra. Jeden nanometer môže obsahovať asi päť atómov.) Možno je to kľúčový problém, ktorému budeme musieť čeliť pri vytváraní skutočného plášťa neviditeľnosti. Ohýbať, ako had, dráha svetelného lúča,museli by sme modifikovať jednotlivé atómy v metamateriáli.
Metamateriály pre viditeľné svetlo
Takže závod začal.
Bezprostredne po oznámení prijatia prvých metamateriálov v laboratóriu sa v tejto oblasti začala horúčka. Každých niekoľko mesiacov počujeme o revolučných poznatkoch a prekvapujúcich prielomoch. Cieľ je jasný: vytvoriť metamateriály pomocou nanotechnológií, ktoré dokážu ohýbať nielen mikrovlny, ale aj viditeľné svetlo. Už bolo navrhnutých niekoľko prístupov a všetky sa zdajú byť celkom sľubné.
Jedným z návrhov je použitie hotových metód, to znamená vypožičanie použitých technológií mikroelektronického priemyslu na výrobu metamateriálov. Napríklad miniaturizácia počítačov je založená na technológii „fotolitografie“; je to tiež motor počítačovej revolúcie. Táto technológia umožňuje technikom umiestniť stovky miliónov malých tranzistorov na kremíkovú doštičku veľkosti miniatúry.
Výkon počítačov sa zdvojnásobuje každých 18 mesiacov (tento model sa nazýva Mooreov zákon). Dôvodom je skutočnosť, že vedci pomocou lúčov ultrafialového žiarenia „leptajú“stále viac drobných komponentov na kremíkových čipoch. Táto technológia je veľmi podobná procesu, ktorým je vzor na šablóne farebného trička. (Počítačoví inžinieri začínajú tenkým substrátom, na ktorý sú navrstvené najjemnejšie vrstvy rôznych materiálov. Potom je substrát pokrytý plastovou maskou, ktorá pôsobí ako šablóna. Na masku je vopred nanesený zložitý vzor vodičov, tranzistorov a počítačových komponentov, ktorý tvorí základ schémy obvodu. Obrobok je ožiarený tvrdým ultrafialovým svetlom. to znamená, že je vystavené ultrafialovému žiareniu s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou;toto žiarenie, ako to bolo, prenáša štruktúru matrice na svetlocitlivý substrát. Potom je obrobok ošetrený špeciálnymi plynmi a kyselinami a komplexný obrazec matrice je vyleptaný na substrát v tých miestach, kde bol vystavený ultrafialovému žiareniu. Výsledkom tohto procesu je doska so stovkami miliónov drobných zárezov, ktoré tvoria obvody tranzistorov.) V súčasnosti najmenšie komponenty, ktoré sa dajú vytvoriť opísaným spôsobom, sú asi 30 nm (alebo asi 150 atómov). Výsledkom tohto procesu je doska so stovkami miliónov drobných zárezov, ktoré tvoria obvody tranzistorov.) V súčasnosti najmenšie komponenty, ktoré sa dajú vytvoriť opísaným spôsobom, sú asi 30 nm (alebo asi 150 atómov). Výsledkom tohto procesu je doska so stovkami miliónov drobných zárezov, ktoré tvoria obvody tranzistorov.) V súčasnosti najmenšie komponenty, ktoré sa dajú vytvoriť opísaným spôsobom, sú asi 30 nm (alebo asi 150 atómov).
Pozoruhodný medzník na ceste k neviditeľnosti bol nedávny experiment skupiny vedcov z Nemecka a amerického ministerstva energetiky, v ktorom sa proces leptania kremíkového substrátu použil na to, aby bol prvý metamateriál schopný fungovať vo viditeľnom rozsahu svetla. Začiatkom roku 2007 vedci oznámili, že metamateriál, ktorý vytvorili, ovplyvnil červené svetlo. Tento „nemožný“bol realizovaný v prekvapivo krátkom čase.
Fyzikovi Costasovi Sukulisovi z Ames Laboratory a Iowa State University, spolu s Stephanom Lindenom, Martinom Wegenerom a Gunnarom Dollingom z University of Karlsruhe v Nemecku sa podarilo vytvoriť metamateriál s indexom lomu -0,6 pre červené svetlo s vlnovou dĺžkou 780 nm. (Predtým bol svetový rekord pre vlnovú dĺžku žiarenia, ktoré bolo „obalené“metamateriálom, 1 400 nm; to už nie je viditeľné, ale infračervené svetlo.)
Vedci zobrali sklenenú tabuľu a naniesli na ňu tenkú vrstvu striebra, potom vrstvu fluoridu horečnatého a potom opäť vrstvu striebra; tak sa získal „sendvič“s fluoridom s hrúbkou iba 100 nm. Vedci potom použili štandardnú technológiu leptania, aby v tomto sendviči urobili veľa malých štvorcových dier (šírka len 100 nm, oveľa menšia ako vlnová dĺžka červeného svetla); výsledkom je mriežková štruktúra, ktorá pripomína rybársku sieť. Potom prešli lúčom červeného svetla cez výsledný materiál a zmerali index lomu, ktorý bol -0,6.
Autori predpokladajú, že technológia, ktorú vynašli, nájdu široké využitie. Metamateriály „môžu jedného dňa viesť k určitým druhom plochých superlenov, ktoré fungujú vo viditeľnom spektre,“hovorí Dr. Sukulis. „Tento objektív vám umožní získať vyššie rozlíšenie ako tradičná technológia a rozlíšiť medzi detailami, ktoré sú výrazne menšie ako vlnová dĺžka svetla.“Je zrejmé, že jednou z prvých aplikácií "superlenov" by bolo fotografovanie mikroskopických predmetov s bezprecedentnou čistotou; môžeme hovoriť o fotografovaní vo vnútri živej ľudskej bunky alebo o diagnostikovaní chorôb plodu v lone. Ideálne bude možné fotografovať zložky molekuly DNA priamo, bez použitia surových rôntgenových kryštalografických techník.
Vedci doteraz dokázali negatívny index lomu iba pre červené svetlo. Metódu je však potrebné vyvinúť a ďalším krokom je vytvorenie metamateriálu, ktorý by mohol úplne krúžiť červený lúč okolo objektu, čím by sa červené svetlo stalo neviditeľným.
Ďalší vývoj možno očakávať aj v oblasti „fotonických kryštálov“. Cieľom technológie fotonických kryštálov je vytvoriť čip, ktorý na spracovanie informácií využíva namiesto elektriny svetlo. Cieľom je použiť nanotechnológiu na leptanie drobných zložiek na substrát tak, aby sa index lomu zmenil s každou zložkou. Tranzistory, v ktorých svetelné diela majú mnoho výhod oproti elektronickým. Napríklad vo fotonických kryštáloch je oveľa menšia strata tepla. (Komplexné kremíkové čipy generujú dostatok tepla na smaženie vajíčka. Tieto čipy je potrebné neustále chladiť, aby sa zabránilo ich zlyhaniu, čo je veľmi drahé.)
Nie je prekvapujúce, že technológia výroby fotonických kryštálov by mala byť ideálna pre meta-materiály, pretože obe technológie zahŕňajú manipuláciu s indexom lomu svetla v nanomateriáli.
Neviditeľnosť prostredníctvom plazmónov
Ďalšia skupina fyzikov, ktorá nechcela byť prekonaná súpermi, oznámila v polovici roku 2007 vytvorenie metamateriálu schopného rotácie viditeľného svetla založeného na úplne inej technológii nazývanej plazmonics. Fyzici Henri Lesek, Jennifer Dionne a Harry Atwater z kalifornského technologického inštitútu oznámili vytvorenie metamateriálu, ktorý má negatívny index lomu pre komplexnejšiu modrozelenú oblasť viditeľného spektra.
Účelom plazmmoník je „stlačiť“svetlo týmto spôsobom, aby sa s predmetmi mohlo manipulovať v nanom meradle, najmä na kovových povrchoch. Dôvod elektrickej vodivosti kovov spočíva v tom, že elektróny v atómoch kovu sú slabo viazané na jadro a môžu sa voľne pohybovať po povrchu kovovej mriežky. Elektrina prechádzajúca cez vodiče vo vašej domácnosti je plynulým tokom týchto voľne viazaných elektrónov cez kovový povrch. Ale za určitých podmienok, keď lúč svetla dopadne na kovový povrch, elektróny môžu vibrovať v súzvuku so svetlom. V tomto prípade sa vlnové pohyby elektrónov objavujú na povrchu kovu (tieto vlny sa nazývajú plazmóny) v čase s osciláciami elektromagnetického poľa nad kovom. Dôležitejšie je, že tieto plazmóny môžu byť "komprimované" tak, aby mali rovnakú frekvenciu akoako pôvodný svetelný lúč (čo znamená, že budú mať rovnaké informácie), ale oveľa kratšiu vlnovú dĺžku. V zásade môžu byť tieto stlačené vlny vtlačené do nanočastíc. Rovnako ako v prípade fotonických kryštálov je konečným cieľom plazmmonics vytvoriť počítačové čipy, ktoré sú napájané svetlom, nie elektrinou.
Skupina v spoločnosti California Tech postavila svoj metamateriál s dvoma vrstvami striebra a izolačnou vrstvou kremík-dusík (hrúbka len 50 nm). Táto vrstva pôsobí ako "vlnovod" schopný riadiť vlny plazmónu v požadovanom smere. Laserový lúč vstupuje do zariadenia cez štrbinu v metamateriáli; prechádza vlnovodom a potom opúšťa druhú štrbinu. Ak analyzujete uhly, v ktorých je laserový lúč ohnutý, keď prechádza cez metamateriál, môžete určiť, že materiál má negatívny index lomu pre svetlo s danou vlnovou dĺžkou.
Budúcnosť metamateriálov
Pokrok v štúdii metamateriálov v budúcnosti sa zrýchli z jednoduchého dôvodu, že už existuje veľký záujem o vytvorenie tranzistorov, ktoré pracujú na svetelnom lúči namiesto elektrickej energie. Preto sa dá predpokladať, že výskum v oblasti neviditeľnosti bude schopný „riadiť jazdu“, tj využiť výsledky už prebiehajúceho výskumu na vytvorenie náhrady za kremíkový čip pomocou fotonických kryštálov a plazmonov. Už dnes investujú stovky miliónov dolárov do vývoja technológie určenej na nahradenie kremíkových čipov a prospeje aj výskumu v oblasti metamateriálov.
V súčasnosti sa v tejto oblasti objavujú nové významné objavy každých niekoľko mesiacov, takže nie je prekvapujúce, že niektorí fyzici očakávajú, že sa v laboratóriu objavia prvé vzorky skutočného štítu neviditeľnosti v priebehu niekoľkých desaťročí. Vedci sú teda presvedčení, že v nasledujúcich rokoch budú schopní vytvoriť metamateriály, vďaka ktorým bude objekt úplne neviditeľný, aspoň v dvoch rozmeroch, pre viditeľné svetlo akejkoľvek konkrétnej frekvencie. Aby sa dosiahol tento účinok, bude potrebné zaviesť malé nanomateriály do metamateriálu nie v pravidelných radoch, ale v zložitých vzoroch tak, aby sa tým svetlo plynulo ohýbalo okolo skrytého objektu.
Vedci budú potom musieť vymyslieť a vytvoriť metamateriály, ktoré dokážu ohýbať svetlo v troch rozmeroch, nielen na plochých dvojrozmerných povrchoch. Fotolitografia je osvedčená technológia výroby plochých kremíkových obvodov; vytvorenie trojrozmerných metamateriálov si bude vyžadovať aspoň komplexné usporiadanie niekoľkých plochých diagramov.
Vedci potom budú musieť vyriešiť problém vytvárania metamateriálov, ktoré ohýbajú svetlo nie jednej frekvencie, ale niekoľkých - alebo, napríklad, frekvenčných pásiem. Toto je pravdepodobne najťažšia úloha, pretože všetky doteraz vyvinuté drobné implantáty odkláňajú iba svetlo s presnou frekvenciou. Vedci sa možno budú musieť vysporiadať s viacvrstvovými metamateriálmi, kde každá vrstva bude pôsobiť s jednou konkrétnou frekvenciou. Zatiaľ nie je jasné, aké bude riešenie tohto problému.
Štít neviditeľnosti, aj keď bol konečne vytvorený v laboratóriu, nemusí byť vôbec tým, čo chceme, s najväčšou pravdepodobnosťou to bude ťažké a nepraktické zariadenie. Plášť Harryho Pottera bol šitý z tenkej, mäkkej tkaniny a robil každého, kto sa v ňom zabalil, neviditeľný. Aby však bol taký účinok možný, index lomu vo vnútri tkaniva sa musí neustále meniť komplexným spôsobom v súlade s vibráciami tkaniva a pohybmi osoby. To je nepraktické. Najpravdepodobnejšie bude plášť neviditeľnosti aspoň spočiatku pevným valcom metamateriálu. V tomto prípade môže byť index lomu vo valci konštantný. (Vo vyspelejších modeloch sa časom môžu objaviť flexibilné metamateriály, ktoré sa môžu ohýbať a súčasne udržujú svetlo vo vnútri na správnej ceste.kto bude vo vnútri plášťa, získa určitú slobodu pohybu.)
Neviditeľný štít má jednu nevýhodu, na ktorú už bolo opakovane poukázané: ten, kto je vo vnútri, sa nemôže pozerať bez toho, aby bol viditeľný. Predstavte si Harryho Pottera s viditeľnými iba očami; zatiaľ čo sa zdá, že plávajú vzduchom v primeranej výške. Všetky očné otvory v neviditeľnom plášti by boli zvonka zreteľne viditeľné. Ak urobíte Harryho Pottera úplne neviditeľným, bude musieť slepo sedieť pod plášťom av úplnej tme. (Jedným z možných riešení tohto problému by boli dve malé okuliare pred očami. Tieto okuliare by pôsobili ako „rozdeľovače lúčov“; štiepali by a nasmerovali malú časť svetla dopadajúceho na ne do očí. by obísť, čím by sa osoba stala neviditeľnou vo vnútri, ale niektoré, veľmi malé,jeho časť by sa oddelila a vstúpila by do očí.)
Prekážky neviditeľnosti sú nepochybne veľmi vážne, ale vedci a inžinieri sú optimistickí a domnievajú sa, že v najbližších niekoľkých desaťročiach bude možné vytvoriť taký štít neviditeľnosti.
Neviditeľnosť a nanotechnológia
Ako som už uviedol, kľúčom k neviditeľnosti môže byť rozvoj nanotechnológií, t. schopnosť manipulovať so štruktúrami atómových (približne jedna miliardtina metra) veľkosti.
Okamžik narodenia nanotechnológie sa nazýva slávna prednáška s ironickým názvom „Na dne je plný priestoru“, ktorý predniesol nositeľ Nobelovej ceny Richard Feynman pred Americkou fyzickou spoločnosťou v roku 1959. V tejto prednáške hovoril o tom, ako môžu vyzerať najmenšie stroje podľa fyzikálnych zákonov. Feynman si uvedomil, že veľkosť strojov by sa zmenšovala a zmenšovala, až by sa priblížili veľkosti atómu, a potom by samotné atómy mohli byť použité na vytvorenie nových strojov. Dospel k záveru, že najjednoduchšie atómové stroje ako blok, páka alebo koleso nie sú v rozpore s fyzikálnymi zákonmi, ale bude veľmi ťažké ich vyrobiť.
Po mnoho rokov nanotechnológia ustúpila do zabudnutia - jednoducho preto, že technológia času neumožňovala manipuláciu s jednotlivými atómami. V roku 1981 však došlo k prelomu - fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer z laboratória IBM v Zürichu vynašli skenovací tunelový mikroskop, ktorý im neskôr získal Nobelovu cenu za fyziku.
Vedci sa zrazu dokázali spojiť do úžasných „obrázkov“jednotlivých atómov do štruktúr - presne tak, ako sa to obvykle zobrazuje v knihách o chémii; naraz to považovali kritici atómovej teórie za nemožné. Teraz bolo možné získať nádherné fotografie atómov usporiadané v radoch v správnej štruktúre kryštálu alebo kovu. Voľným okom bolo teraz možné vidieť chemické vzorce, s ktorými sa vedci snažili odrážať zložitú štruktúru molekuly. Okrem toho skenovací tunelový mikroskop umožnil manipuláciu s jednotlivými atómami. Objavitelia rozložili písmená IBM z jednotlivých atómov, čo vo vedeckom svete vyvolalo skutočný pocit. Vedci už nie sú slepí vo svete jednotlivých atómov; boli schopní vidieť a pracovať s atómami.
Princíp fungovania skenovacieho tunelového mikroskopu je zdanlivo jednoduchý. Rovnako ako gramofón skenuje disk ihlou, aj tento mikroskop pomaly prechádza cez skúmanú látku cez ostrú sondu. (Špička tejto sondy je taká ostrá, že končí jedným atómom.) Sonda nesie slabý elektrický náboj; elektrický prúd tečie z jeho konca cez študovaný materiál na vodivý povrch pod ním. Keď sonda prejde cez každý jednotlivý atóm, prúd sa mierne zmení; zmeny súčasného stavu sa starostlivo zaznamenávajú. Stúpanie a klesanie prúdu, keď ihla prechádza cez atóm veľmi presne a podrobne, odráža jej obrys. Po spracovaní a prezentácii grafických údajov o aktuálnych výkyvoch pre veľké množstvo prechodov získate krásny obraz jednotlivých atómov, ktoré tvoria priestorovú mriežku.
(Skenovací tunelový mikroskop môže existovať vďaka podivnému zákonu kvantovej fyziky. Elektróny obvykle nemajú dostatok energie na to, aby prešli od špičky sondy k substrátu cez vrstvu látky. Podľa zásady neurčitosti je však malá pravdepodobnosť, že elektróny „tunel“, t.j. To znamená, že prechádzajú bariérou, aj keď je to v rozpore s Newtonovou teóriou. Preto prúd prechádzajúci materiálom je tak citlivý na jemné kvantové efekty v ňom. Neskôr sa podrobnejšie budem venovať dôsledkom kvantovej teórie.)
Okrem toho je sonda mikroskopu dostatočne citlivá na to, aby presunula jednotlivé atómy a zostavila z nich jednoduché „stroje“. V súčasnosti je táto technológia taká vyspelá, že na obrazovke počítača môžete vidieť skupinu atómov a jednoduchým pohybom kurzora ľubovoľným spôsobom pohybovať jednotlivými atómami. Desiatky atómov je možné manipulovať rovnako ľahko ako tehly Lego. Môžete rozmiestniť nielen písmená od atómov, ale tiež vytvárať hračky, ako napríklad počítadlo, kde sú kĺby zostavené z jednoduchých atómov. Na tento účel sú atómy rozmiestnené na povrchu vybavenom zvislými drážkami. Sférické fullerény („futbalové lopty“zložené z jednotlivých atómov uhlíka) sa vkladajú do drážok. Tieto uhlíkové gule slúžia ako kosti atómových účtov, ktoré sa pohybujú nahor a nadol po svojich drážkach.
Atómové zariadenia môžete tiež rezať elektrónovými lúčmi. Napríklad vedci z Cornell University vyrezali z kryštalického kremíka najmenšiu gitaru na svete, ktorá je 20-krát menšia ako ľudské vlasy. Gitara má šesť strún, z ktorých každý má hrúbku sto atómov, ktoré možno vytiahnuť pomocou mikroskopu atómovej sily. (Gitara bude skutočne hrať hudbu, ale frekvencie, ktoré produkuje, sú ďaleko za hranicou počuteľnosti ľudského ucha.)
V súčasnosti sú takmer všetky „nanomachíny“iba hračky. Zložitejšie stroje s ozubenými kolesami a ložiskami sa ešte musia vytvoriť. Mnoho inžinierov je však presvedčených, že čas na skutočné atómové stroje je na ceste. (V prírode také stroje existujú. Jednobunkové organizmy sú schopné voľne sa vznášať vo vode v dôsledku pohybov drobných chĺpkov. Ak však starostlivo zvážime spojenie medzi vlasom a bunkou, je zrejmé, že je to atómový stroj, ktorý umožňuje vlasom ľubovoľný pohyb vo všetkých smeroch. Preto je jedným zo spôsobov rozvoja nanotechnológie je kópia prírody, ktorá zvládla výrobu atómových strojov pred miliardami rokov.)
Hologramy a neviditeľnosť
Ďalším spôsobom, ako urobiť človeka trochu neviditeľným, je vyfotografovať pohľad za ním a potom premietnuť tento obraz priamo na jeho oblečenie alebo nejakú obrazovku pred sebou. Ak sa pozriete spredu, bude sa zdať, že osoba sa stala priehľadnou a svetlo nejako prechádza jeho telom.
Tento proces, známy ako „optické maskovanie“, vážne sleduje najmä Naoki Kawakami z Tachi Laboratory na Tokijskej univerzite. „Táto technológia by sa mohla použiť na pomoc pilotom pri prehliadke dráhy cez podlahu v kabíne alebo na pomoc vodičom pri rozhliadaní, keď sú zaparkované.“Kawakamiho plášť je pokrytý malými reflexnými guľôčkami, ktoré pôsobia ako filmová obrazovka. Čo sa deje zozadu, je natočené videokamerou. Tento obrázok potom prejde na videoprojektor, ktorý ho potom premieta na plášť vpredu. Zdá sa, že svetlo preniká človekom cez a skrz.
V laboratóriu už boli vytvorené prototypy plášťov s optickým maskovacím systémom. Ak sa na osobu v takom plášti pozeráte priamo spredu, zdá sa, že zmizne, pretože vidíte iba obraz toho, čo sa deje za nami. Ale ak sa vy a so svojimi očami trochu pohnete a obraz na plášti zostáva rovnaký, bude zrejmé, že ide iba o podvod. V realistickejšom optickom maskovacom systéme bude potrebné vytvoriť ilúziu trojrozmerného obrazu. To si bude vyžadovať hologramy.
Hologram je 3D obraz vytvorený lasermi (predstavte si 3D obraz princeznej Leie v Star Wars). Osobu môžete označiť za neviditeľnú, ak odfotografujete pozadie za sebou pomocou špeciálnej holografickej kamery a potom ju vytvoríte na osobitnej holografickej obrazovke pred sebou. Pozorovateľ uvidí pred sebou holografickú obrazovku s obrazom všetkého, čo je v skutočnosti pred ním, s výnimkou osoby. Vyzerá to, akoby osoba práve zmizla. Na jeho mieste bude presný 3D obraz pozadia. Ani po presťahovaní nebudete vedieť pochopiť, že pred vami je faloš.
Vytvorenie takýchto trojrozmerných obrazov je možné vďaka "koherencii" laserového svetla, t.j. skutočnosť, že elektromagnetické kmity sa v ňom vyskytujú prísne jednohlasne. Na vytvorenie hologramu je koherentný laserový lúč rozdelený na dve časti. Jedna polovica je zameraná na fotografický film, druhá - na ten istý fotografický film, ale po odrazu od objektu. Keď dve polovice lúča interferujú, objaví sa na filme interferenčný vzor, ktorý obsahuje všetky informácie o pôvodnom trojrozmernom lúči. Film po vývoji nevyzerá príliš sľubne - je na ňom viditeľná iba sieť nepochopiteľných čiar a kučeraviek. Ak však cez tento film prejdete laserovým lúčom, vo vzduchu sa objaví presná trojrozmerná kópia objektu, akoby magicky.
Holografická neviditeľnosť však predstavuje pre vedcov veľmi vážne problémy. Jednou z nich je vytvorenie holografického fotoaparátu schopného snímať najmenej 30 obrázkov za sekundu. Ďalším je uchovávanie a spracovanie všetkých týchto informácií. Nakoniec budete musieť premietnuť obraz na obrazovku tak, aby vyzeral realisticky.
Neviditeľnosť prostredníctvom štvrtej dimenzie
Je potrebné spomenúť ďalší, oveľa chytrejší spôsob, ako sa stať neviditeľným, ako to načrtol H. G. Wells v románe Neviditeľný človek. Táto metóda zahŕňa využitie schopností štvrtej dimenzie. (Neskôr v tejto knihe budem hovoriť viac o možnej existencii vyšších dimenzií.) Môže človek opustiť náš trojrozmerný vesmír a vznášať sa nad ním v štvrtej dimenzii, pozorujúc, čo sa deje zo strany? Rovnako ako trojrozmerný motýľ, ktorý sa chveje na dvojrozmernom hárku papiera, by takáto osoba nebola neviditeľná pre žiadneho obyvateľa vesmíru dole. Jediným problémom je, že existencia vyšších dimenzií ešte nebola dokázaná. Hypotetická cesta do jednej z týchto dimenzií by navyše vyžadovala oveľa viac energie, ako máme v súčasnosti v súčasnom stave techniky. Ak hovoríme o skutočných spôsoboch, ako dosiahnuť neviditeľnosť, potom táto metóda, samozrejme, ďaleko presahuje naše súčasné znalosti a schopnosti.
Vzhľadom na obrovský pokrok, ktorý sa už dosiahol na ceste k neviditeľnosti, si myslím, že ho môžeme bezpečne klasifikovať ako nemožnosť triedy I. Neviditeľnosť jedného alebo druhého druhu sa môže stať bežnou v najbližších niekoľkých desaťročiach, aspoň do konca storočia.