„Star Trek IV: Voyage Home“kompanijos įgula užfiksuoja Klingono mūšio kreiserį. Klingono imperijos laivuose, skirtingai nei federacijos „Starfleet“laivuose, yra įrengtas slaptas „užmaskavimo įtaisas“, kuris gali padaryti juos nematomus akims ir radarui. Šis prietaisas leidžia „Klingon“laivams nepastebėti federacijos laivų uodegos ir smogti nebaudžiamai. Sulaikymo įrenginio dėka Klingono imperija turi strateginį pranašumą prieš Planetų Federaciją.
Ar toks prietaisas iš tikrųjų įmanomas? Nematomumas jau seniai tapo vienu iš įprastų fantastikos ir fantastikos kūrinių stebuklų - nuo „Nematomas žmogus“iki stebuklingo Hario Poterio nematomumo glėbio ar žiedo iš „Žiedų valdovo“. Nepaisant to, mažiausiai šimtą metų fizikai vieningai neigė galimybę sukurti nematomumo apsiaustus ir vienareikšmiškai pareiškė, kad tai neįmanoma: apsiaustai, jų teigimu, pažeidžia optikos įstatymus ir nesutinka su jokiomis žinomomis materijos savybėmis.
- „Salik.biz“
Tačiau šiandien neįmanoma tampa įmanoma. Pažanga „metamaterjalų“srityje verčia reikšmingai persvarstyti optikos vadovėlius. Laboratorijoje sukurti tokių medžiagų darbo pavyzdžiai labai domina žiniasklaidą, pramonininkus ir kariuomenę; visi domisi, kaip padaryti matomą nematomu.
Nematomumas istorijoje
Nematomumas yra turbūt viena seniausių sąvokų senovės mitologijoje. Nuo laiko pradžios žmogus, paliktas vienas bauginančioje nakties tyloje, jautė nematomų būtybių buvimą ir jų bijojo. Visi aplinkui jį tamsoje glostė mirusiųjų dvasias - tų, kurie išėjo prieš jį, sielas. Graikijos didvyriui Perseusui, ginkluotam nematomu šalmu, pavyko nužudyti piktąjį gorgoną „Medusa“. Visų laikų generolai svajojo apie užmaskavimo įrenginį, kuris leistų jiems tapti nematomais priešams. Pasinaudodamas nematomumu, žmogus galėtų lengvai patekti į priešo gynybos liniją ir nustebinti. Nusikaltėliai galėjo panaudoti nematomumą, kad įvykdytų drąsius apiplėšimus.
Platono etikos ir moralės teorijoje pagrindinį vaidmenį vaidino nematomumas. Savo filosofiniame darbe „Valstybė“Platonas mums papasakojo apie Giga žiedo mitą. Pagal šį mitą vargšas, bet sąžiningas Lidijos aviganis Gigusas patenka į slaptą urvą ir ten randa kapą; ant lavono piršto jis mato auksinį žiedą. Giga toliau atranda, kad žiedas turi magiškų galių ir gali padaryti jį nematomu. Vargšas aviganis tiesiogine prasme yra girtas tos jėgos, kurią jam suteikė žiedas. Patekęs į karališkuosius rūmus, Gigusas suvilioja karalienę žiedu, tada su jos pagalba jis nužudo karalių ir tampa kitu Lidijos karaliumi.
Moralas, kurį Platonas iškėlė iš šios istorijos, yra tas, kad nė vienas asmuo nesugeba atsispirti pagundai paimti ką nors kitą ir žudytis nebaudžiamai. Žmonės yra silpni, o moralė yra socialinis reiškinys, kurį reikia implantuoti ir palaikyti iš išorės. Viešumoje žmogus gali laikytis moralės normų, norėdamas atrodyti padorus ir sąžiningas bei išlaikyti savo reputaciją, tačiau kai suteiksite jam galimybę tapti nematomais, jis negalės atsispirti ir tikrai pasinaudos savo nauja galia. (Kai kurie mano, kad ši moralinė parabolė paskatino JRR Tolkieną sukurti „Žiedų valdovo“trilogiją; žiedas, kuris jo savininko daro nematomą, taip pat yra blogio šaltinis.)
Reklaminis vaizdo įrašas:
Mokslinėje fantastikoje nematomumas yra vienas iš dažniausiai pasitaikančių siužetų. 1930-ųjų komiksų serijoje. „Flash Gordon“„Flash“tampa nematomas, kad paslėptų nuo piktadario Ming the Ruthless šaudymo būrio. Romanuose ir filmuose apie Harį Poterį pagrindinis veikėjas, apsivilkęs stebuklingą apsiaustą, gali nepastebimai klaidžioti po Hogvartso pilį.
H. G. Wellsas klasikiniame romane „Nematomas žmogus“konkrečiu pavidalu įkūnijo tas pačias idėjas. Šiame romane medicinos studentas atsitiktinai atranda ketvirtosios dimensijos galimybes ir tampa nematomas. Deja, jis naudojasi gautomis fantastiškomis galimybėmis siekdamas asmeninės naudos, padaro daugybę smulkių nusikaltimų ir galiausiai miršta desperatiškai bandydamas pabėgti nuo policijos.
Maksvelo lygtys ir šviesos paslaptis
Bet kokį aiškų optikos įstatymų supratimą fizikai įgijo palyginti neseniai - tai buvo škoto Džeimso Clerko Maxwello, vieno iš fizikos milžinų, XIX a. Tam tikra prasme Maksvelas buvo visiška Faraday priešingybė. Jei Faradėjus turėjo puikų eksperimentuotojo pojūtį, bet neturėjo jokio formalaus išsilavinimo, tada jo šiuolaikinis Maksvelas buvo aukštesnės matematikos magistras. Jis su pagyrimu baigė matematinės fizikos mokymus Kembridže, kur du amžius prieš jį dirbo Izaokas Niutonas.
Niutonas išrado diferencialinį skaičiavimą - jis diferencialinių lygčių kalba apibūdina, kaip objektai nuolat patiria be galo mažus laiko ir erdvės pokyčius. Vandenyno bangų, skysčių, dujų ir patrankų kamuolių judėjimą galima apibūdinti diferencialinėmis lygtimis. Maksvelas pradėjo dirbti turėdamas omenyje aiškų tikslą: išreikšti Faradėjaus revoliucinius atradimus ir jo fizinius laukus, naudojant tikslias diferencialines lygtis.
Maksvelas pradėjo nuo Faradėjaus tvirtinimo, kad elektriniai laukai gali virsti magnetiniais ir atvirkščiai. Jis nufotografavo Faradėjaus nupieštus fizinius laukus ir tiksliai surašė diferencialinių lygčių kalbą. Dėl to buvo gauta viena iš svarbiausių šiuolaikinio mokslo lygčių sistemų. Tai yra aštuonių gana drąsios diferencialinių lygčių sistema. Kiekvienas fizikas ir inžinierius pasaulyje turėjo prakaituoti vienu metu, įvaldydami elektromagnetizmą institute.
Tuomet Maksvelas uždavė sau lemtingą klausimą: jei magnetinis laukas gali virsti elektriniu lauku ir atvirkščiai, kas nutiks, jei jie nuolatos keisis iš vienos į kitą begalinėje pertvarkų serijoje? Maksvelas atrado, kad toks elektromagnetinis laukas sukeltų į vandenyną panašią bangą. Jis apskaičiavo tokių bangų judėjimo greitį ir, savo nuostabai, nustatė, kad jis lygus šviesos greičiui! 1864 m., Sužinojęs šį faktą, jis pranašiškai rašė: "Šis greitis yra toks artimas šviesos greičiui, kad, atrodo, turime visas priežastis daryti išvadą, kad pati šviesa … yra elektromagnetinis trikdis".
Šis atradimas, ko gero, tapo vienu didžiausių žmonijos istorijoje - pagaliau buvo atskleista šviesos paslaptis! Maksvelas staiga suprato, kad viską - ir vasaros saulėtekio švytėjimą, ir įnirtingus besileidžiančios saulės spindulius, ir apakinančias vaivorykštės spalvas, ir žvaigždes naktiniame danguje - galima apibūdinti bangomis, kurias jis atsitiktinai pavaizdavo ant popieriaus lapo. Šiandien mes suprantame, kad visas elektromagnetinis spektras: radaro signalai, mikrobangų spinduliuotė ir televizijos bangos, infraraudonųjų spindulių, matoma ir ultravioletinė šviesa, rentgeno ir gama spinduliai yra ne kas kita, kaip Maksvelio vanduo; ir jie savo ruožtu žymi Faradėjaus fizinių laukų virpesius.
Kalbėdamas apie Maksvelo lygčių reikšmę, Einšteinas rašė, kad tai yra „giliausias ir vaisingiausias dalykas, kurį fizika patyrė nuo Niutono laikų“.
(Tragiška, kad vienas didžiausių XIX amžiaus fizikų Maxwellas mirė pakankamai jaunas, būdamas 48 metų, nuo skrandžio vėžio - tikriausiai tos pačios ligos, kuri nužudė motiną tame amžiuje. Jei jis gyveno ilgiau, jam galbūt pavyko sužinotų, kad jo lygtys leido iškreipti erdvės ir laiko momentus, tiesiogiai sukeldamos Einsteino reliatyvumo teoriją. Mintis, kad jei Maxwellas būtų gyvenęs ilgiau ir reliatyvumo teorija galėjo atsirasti Amerikos pilietinio karo metu, šokiruoja.)
Maksvelo šviesos teorija ir materijos struktūros atominė teorija optikai ir nematomumui pateikia paprastą paaiškinimą. Kietoje vietoje atomai yra sandariai supakuoti, o skystyje ar dujose atstumas tarp molekulių yra daug didesnis. Dauguma kietų medžiagų yra nepermatomos, nes šviesos spinduliai negali praeiti pro tankų atomų rinkinį, kuris veikia kaip plytų siena. Kita vertus, daugelis skysčių ir dujų yra skaidrūs, nes šviesa lengviau praeina tarp retų atomų, kurių atstumas yra didesnis už matomos šviesos bangos ilgį. Pavyzdžiui, vanduo, alkoholis, amoniakas, acetonas, vandenilio peroksidas, benzinas ir kiti skysčiai yra skaidrūs, taip pat skaidrūs ir tokios dujos kaip deguonis, vandenilis, azotas, anglies dioksidas, metanas ir kt.
Yra keletas svarbių šios taisyklės išimčių. Daugelis kristalų yra kieti ir skaidrūs. Bet kristalų atomai yra įprastos erdvinės grotelės vietose ir sudaro reguliarias eilutes su vienodais intervalais tarp jų. Dėl to krištolo gardelėje visada yra daug kelių, pro kuriuos pro jį gali praeiti šviesos spindulys. Taigi, nors atomai kristaluose yra supakuoti ne mažiau tankiai nei bet kurioje kitoje kietoje medžiagoje, šviesa vis tiek gali į jį prasiskverbti.
Tam tikromis aplinkybėmis net kietas objektas su atsitiktinai išdėstytais atomais gali tapti skaidrus. Kai kurioms medžiagoms šį efektą galima pasiekti įkaitinant daiktą iki aukštos temperatūros, o paskui greitai jį atvėsinus. Pavyzdžiui, stiklas yra kieta medžiaga, kuri dėl atsitiktinio atomų išdėstymo turi daug skysčio savybių. Kai kurie saldainiai taip pat gali būti skaidrūs.
Akivaizdu, kad nematomumo savybė atsiranda atominiame lygmenyje, remiantis Maksvelio lygtimis, todėl atkurti jį tradiciniais metodais yra nepaprastai sunku, jei net neįmanoma. Kad Haris Poteris būtų nematomas, jį reikės likviduoti, virti ir paversti garu, kristalizuoti, pašildyti ir atvėsinti - turite sutikti, bet kuris iš šių veiksmų būtų labai sunkus net burtininkui.
Kariškiai, negalėdami pastatyti nematomų orlaivių, bandė padaryti paprastesnį dalyką: jie sukūrė rutulio technologiją, dėl kurios orlaiviai nematomi radarams. „Stele“technologija, pagrįsta Maksvelo lygtimis, atlieka daugybę triukų. Kovotoją su strėlės šakele lengva pamatyti plika akimi, tačiau priešo radaro ekrane jo vaizdas yra maždaug tokio dydžio kaip didelis paukštis. (Tiesą sakant, „rutulio“technologija yra kelių visiškai skirtingų gudrybių derinys. Kai tik įmanoma, kovotojo statybinės medžiagos pakeičiamos permatomomis radaru: vietoj plieno naudojami įvairūs plastikai ir dervos; keičiasi fiuzeliažo kampai; variklio purkštukų konstrukcija ir kt. visus šiuos triukus galima paversti priešo radaro spinduliu, smogiančiu į lėktuvą,išsibarstyti į visas puses ir negrįžti į priėmimo įrenginį. Tačiau net ir naudojant šią technologiją kovotojas netampa visiškai nematomas; tai tik kiek įmanoma techniškai nukreipia ir išsklaido radaro spindulį.)
Metamedžiagos ir nematomumas
Ko gero, perspektyviausi pastarojo meto nematomumo pasiekimai yra nauja egzotiška medžiaga, vadinama „metamaterija“; gali būti, kad kada nors jis padarys objektus faktiškai nematomais. Juokinga, bet kažkada metamaterialų egzistavimas taip pat buvo laikomas neįmanomu, nes jie pažeidžia optikos įstatymus. Tačiau 2006 m. Duke'o universiteto, esančio Durhame, Šiaurės Karolinoje, ir Londono imperatoriškojo koledžo tyrėjai sėkmingai paneigė šią tradicinę išmintį ir padarė objektą nematomu mikrobangų spinduliuotei, naudodami metamaterialus. Šiame kelyje vis dar yra pakankamai kliūčių, tačiau pirmą kartą istorijoje žmonija turi techniką, leidžiančią paprastus objektus padaryti nematomais. (Šį tyrimą finansavo DARPA, Gynybos pažangiųjų tyrimų projektų agentūra.)
Natanas Myhrvoldas, buvęs vyriausiasis „Microsoft“technologas, tvirtina, kad revoliucinė metamaterjalų galia „visiškai pakeis požiūrį į optiką ir beveik kiekvieną elektronikos aspektą … Kai kurios metamaterijos yra pajėgios žygdarbiams, kurie prieš keletą dešimtmečių atrodė stebuklingi“.
Kas yra metamaterijos? Tai yra optinių savybių turinčios medžiagos, kurių gamtoje nėra. Kuriant metamaterialus, į materiją įterpiami mažyčiai implantai, verčiantys elektromagnetines bangas eiti nestandartiniais keliais. Djūko universitete mokslininkai įterpė daugybę mažų elektros grandinių į varines juostas, išdėstytas plokščiuose koncentriniuose apskritimuose (visi panašūs į kaitvietę). Rezultatas yra sudėtinga struktūra, pagaminta iš keramikos, teflono, kompozicinių pluoštų ir metalo komponentų. Varyje esantys mažyčiai implantai leidžia atitraukti mikrobangų spinduliuotę ir nukreipti ją iš anksto nustatytu keliu. Įsivaizduokite upę, tekančią aplink riedulį. Vanduo labai greitai sukasi aplink akmenįtodėl jo buvimas pasroviui neturi jokios įtakos ir jo atskleisti neįmanoma. Taip pat metamaterijos gali nuolat keisti mikrobangų kelią taip, kad jos tekėtų aplink, tarkime, tam tikrą cilindrą ir tokiu būdu viskas, kas yra šio cilindro viduje, būtų nematoma radijo bangoms. Jei metamaterialas taip pat gali pašalinti visus atspindžius ir šešėlius, tada objektas taps visiškai nematomas šiai radiacijos formai.
Mokslininkai sėkmingai pademonstravo šį principą naudodami prietaisą, sudarytą iš dešimties stiklo pluošto žiedų, padengtų vario elementais. Vario žiedas prietaiso viduje beveik nebuvo matomas mikrobangų spinduliuotei; tai tik metė silpną šešėlį.
Neįprastos metamaterjalų savybės yra pagrįstos jų sugebėjimu valdyti parametrą, žinomą kaip „lūžio rodiklis“. Refrakcija - šviesos savybė pakeisti sklidimo kryptį einant per skaidrią medžiagą. Jei įdėsite ranką į vandenį ar tiesiog žiūrėsite pro akinių lęšius, pastebėsite, kad vanduo ir stiklas atitraukia ir iškreipia įprastų šviesos spindulių kelią.
Šviesos pluošto įlinkio stikle ar vandenyje priežastis yra ta, kad šviesa sulėtėja, kai patenka į tankią skaidrią medžiagą. Šviesos greitis idealiame vakuume yra pastovus, tačiau stiklinėje ar vandenyje šviesa „išsispaudžia“per trilijonų atomų sankaupą ir todėl sulėtėja. (Šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio santykis terpėje vadinamas lūžio rodikliu. Kadangi šviesa lėtėja bet kurioje terpėje, lūžio rodiklis visada yra didesnis nei vienas.) Pavyzdžiui, vakuumo lūžio rodiklis yra 1,00; orui -1 0003; stiklui-1,5; deimantui-2,4. Paprastai kuo tankesnė terpė, tuo daugiau ji nukreipia šviesos pluoštą ir, atitinkamai, tuo didesnis lūžio rodiklis.
Miražai gali būti labai aiškūs reiškiniai, susiję su refrakcija. Jei karštą dieną važiuodami greitkeliu pažiūrėsite tiesiai į priekį horizonte, tada kelias jums atrodys plykstelėjęs vietomis ir sukurs putojančio vandens paviršiaus iliuziją. Dykumoje kartais horizonte galite pamatyti tolimų miestų ir kalnų kontūrus. Taip atsitinka todėl, kad virš pakelės ar dykumos smėlio šildomas oras turi mažesnį tankį ir atitinkamai mažesnį lūžio rodiklį nei aplinkinis įprastas, vėsesnis oras; todėl tolimų objektų šviesą galima atitraukti įkaitintame oro sluoksnyje ir tada patekti į akis; tai sukuria iliuziją, kad tikrai matai tolimus objektus.
Paprastai lūžio rodiklis yra pastovi vertė. Siauras šviesos spindulys, prasiskverbiantis į stiklą, keičia kryptį ir toliau juda tiesia linija. Bet akimirką tarkime, kad mes sugebame valdyti lūžio rodiklį, kad kiekviename stiklo taške jis galėtų nuolat keistis tam tikru būdu, Šviesa, judama tokioje naujoje medžiagoje, galėtų savavališkai pakeisti kryptį; spindulio kelias šioje aplinkoje reikštų mintį kaip gyvatė.
Jei lūžio rodiklį buvo įmanoma valdyti metamateriale, kad šviesa susisuktų aplink tam tikrą objektą, tada šis objektas taptų nematomas. Norint gauti tokį efektą, lūžio rodiklis metamateriale turi būti neigiamas, tačiau bet kuriame optikos vadovėlyje sakoma, kad tai neįmanoma, (Metamedžiagos pirmą kartą teoriškai buvo numatytos 1967 m. Sovietų fiziko Viktoro Veselago darbe. Būtent Veselago parodė, kad šios medžiagos turi turėti tokias neįprastas optines savybes, kaip neigiamas lūžio rodiklis ir atvirkštinis Doplerio efektas. Metamedžiagos atrodo tokios keistos ir net absurdiškos, kad iš pradžių jų praktinis įgyvendinimas buvo laikomas tiesiog neįmanomu. Tačiau per pastaruosius kelerius metus laboratorijoje vis dar buvo gauta metamaterialų, kurie privertė fizikus pradėti perrašyti optikos vadovėlius.)
Tyrėjus, dirbančius su meta medžiaga, žurnalistai nuolat erzina dėl klausimo: kada pagaliau pasirodys nematomumo apdangalai rinkoje? Atsakymą galima suformuluoti labai paprastai: ne greitai.
Davidas Smithas iš Duke'o universiteto sako: „Žurnalistai skambina ir prašo bent jau termino. Per kiek mėnesių ar, tarkime, metų tai įvyks. Jie spaudžia, spaudžia ir spaudžia, ir galų gale tu negali to pakęsti ir pasakyti, kad gal per penkiolika metų. O šiaip - laikraščio antraštė, tiesa? Penkiolika metų prieš Hario Poterio glėbį “. Štai kodėl jis dabar atsisako įvardinti bet kokias datas.
Hario Poterio ar „Star Trek“gerbėjai greičiausiai turės palaukti. Nors tikroji nematomumo skraiste nebeprieštarauja žinomiems gamtos dėsniams - ir šiuo metu dauguma fizikų su tuo sutinka - mokslininkams vis dar yra daugybė sunkių techninių kliūčių, kurias reikia įveikti, kad šią technologiją būtų galima išplėsti darbui su matoma šviesa, o ne tik su mikrobangų krosnele. radiacija.
Bendru atveju vidinių konstrukcijų, įterptų į metamaterialą, matmenys turėtų būti mažesni už radiacijos bangos ilgį. Pavyzdžiui, mikrobangų bangos ilgis gali būti maždaug 3 cm, taigi, jei norime, kad metamaterialas sulenktų mikrobangų kelią, į jį turime įterpti mažesnius nei 3 cm implantus. Bet kad objektas būtų nematomas žaliai šviesai (kurio bangos ilgis 500 nm), metamedžiagos turėtų turėti tik 50 nm ilgio įterptas struktūras. Bet nanometrai jau yra atominė skalė, ir norint dirbti su tokiais dydžiais reikia nanotechnologijų. (Nanometras yra viena milijardoji metro dalis. Vienas nanometras gali laikyti apie penkis atomus.) Galbūt tai yra pagrindinė problema, su kuria turėsime susidurti kurdami tikrą nematomumo skraistę. Kaip norėdamas sulenkti šviesos spindulio kelią,mes turėtume modifikuoti atskirus atomus metamedžiagoje.
Matomos šviesos metamaterijos
Taigi prasidėjo varžybos.
Iškart po to, kai laboratorijoje buvo gautos pirmosios metamaterijos, šioje srityje prasidėjo karščiuojanti veikla. Kas keletą mėnesių girdime apie revoliucines įžvalgas ir stulbinančius proveržius. Tikslas aiškus: pasitelkiant nanotechnologijas sukurti metamaterialus, galinčius sulenkti ne tik mikrobangas, bet ir matomą šviesą. Jau buvo pasiūlyti keli požiūriai, ir visi jie atrodo gana perspektyvūs.
Vienas iš siūlymų yra naudoti paruoštus metodus, tai yra pasiskolinti naudojamas mikroelektronikos pramonės technologijas metamaterialų gamybai. Pavyzdžiui, kompiuterių miniatiūrizavimas grindžiamas „fotolitografijos“technologija; tai taip pat kompiuterinės revoliucijos variklis. Ši technologija leidžia inžinieriams ant miniatiūros dydžio silicio plokštelių sudėti šimtus milijonų mažų tranzistorių.
Kompiuterių galia dvigubėja kas 18 mėnesių (šis modelis vadinamas Moore'o dėsniu). Taip yra dėl to, kad mokslininkai ultravioletinių spindulių pagalba „išgraviruoja“vis daugiau mažyčių komponentų ant silicio drožlių. Ši technologija yra labai panaši į procesą, kurio metu piešinys užmaunamas ant spalvingų marškinėlių. (Kompiuterių inžinieriai pradeda nuo plono pagrindo, ant kurio viršaus uždedami smulkiausi įvairių medžiagų sluoksniai. Tada substratas padengiamas plastikine kauke, kuri veikia kaip šablonas. Kaukė iš anksto uždedama kompleksiškai naudojant laidininkų, tranzistorių ir kompiuterio komponentų, sudarančių grandinės schemos pagrindą., tai yra, veikiami labai trumpo bangos ilgio ultravioletinių spindulių;ši radiacija tarsi perduoda matricos modelį ant šviesai jautraus substrato. Tada ruošinys apdorojamas specialiomis dujomis ir rūgštimis, o sudėtingas matricos raštas išgraviruojamas ant substrato tose vietose, kur ji buvo veikiama ultravioletinių spindulių. Šio proceso rezultatas yra plokštelė su šimtais milijonų mažų įdubimų, sudarančių tranzistorių grandines.) Šiuo metu mažiausi komponentai, kuriuos galima sukurti naudojant aprašytą procesą, yra apie 30 nm (arba apie 150 atomų). Šio proceso rezultatas yra plokštelė su šimtais milijonų mažų įdubimų, sudarančių tranzistorių grandines.) Šiuo metu mažiausi komponentai, kuriuos galima sukurti naudojant aprašytą procesą, yra apie 30 nm (arba apie 150 atomų). Šio proceso rezultatas yra plokštelė su šimtais milijonų mažų įdubimų, sudarančių tranzistorių grandines.) Šiuo metu mažiausi komponentai, kuriuos galima sukurti naudojant aprašytą procesą, yra maždaug 30 nm dydžio (arba apie 150 atomų).
Žinomas etapas kelyje į nematomumą buvo neseniai atliktas mokslininkų iš Vokietijos ir JAV energetikos departamento grupės eksperimentas, kurio metu silicio substrato ėsdinimo procesas buvo naudojamas padaryti pirmąją metamaterjalą, galintį veikti matomoje šviesos srityje. 2007 m. Pradžioje mokslininkai paskelbė, kad jų sukurta metamaterija paveikė raudoną šviesą. „Neįmanoma“buvo įgyvendinta per stebėtinai trumpą laiką.
Fizikas Kostas Sukulis iš Ameso laboratorijos ir Ajovos valstybinio universiteto kartu su Stephanu Lindenu, Martinu Wegeneriu ir Gunnaru Dollingu iš Karlsrūhės universiteto Vokietijoje sugebėjo sukurti metamaterjalą, kurio lūžio lūžio rodiklis būtų –0,6 raudonai šviesai, kurio bangos ilgis būtų 780 nm. (Prieš tai buvęs radiacijos bangos ilgio, „apvynioto“metamaterialu, pasaulio rekordas buvo 1400 nm; jo daugiau nematyti, bet infraraudonąją šviesą.)
Pirmiausia mokslininkai paėmė stiklo lakštą ir ant jo uždėjo ploną sidabro sluoksnį, po to magnio fluoro sluoksnį, vėl sidabro sluoksnį; tokiu būdu buvo gautas „sumuštinis“su fluoru, kurio storis tik 100 nm. Tuomet mokslininkai panaudojo standartinę ėsdinimo technologiją, kad šiame sumuštinyje padarytų daug mažų kvadratinių skylių (tik 100 nm pločio, daug mažesnės už raudonos šviesos bangos ilgį); Rezultatas yra tinklelio struktūra, primenanti žvejybos tinklą. Tada jie pro gautą medžiagą praleido raudonos šviesos spindulį ir išmatavo lūžio rodiklį, kuris buvo –0,6.
Autoriai tikisi, kad jų išrastos technologijos bus plačiai naudojamos. Metamedžiagos „kažkada gali sukelti tam tikras plokščias superlendas, veikiančias regimajame spektre“, - sako daktaras Sukulis. "Šis objektyvas leis jums pasiekti didesnę skiriamąją gebą nei tradicinės technologijos ir atskirti detales, kurios yra žymiai mažesnės už šviesos bangos ilgį." Akivaizdu, kad vienas iš pirmųjų „super objektyvo“pritaikymų bus fotografuoti mikroskopinius objektus beprecedenčio aiškumo atžvilgiu; galime kalbėti apie fotografavimą gyvo žmogaus ląstelėje arba apie vaisiaus ligų diagnozę gimdoje. Idealiu atveju būtų įmanoma fotografuoti DNR molekulės komponentus tiesiogiai, nenaudojant neapdorotų rentgeno kristalografijos metodų.
Iki šiol mokslininkai sugebėjo įrodyti neigiamą lūžio rodiklį tik esant raudonai šviesai. Tačiau metodą reikia tobulinti, o kitas žingsnis yra sukurti metamaterjalą, kuris galėtų visiškai apjuosti raudoną spindulį aplink objektą ir padaryti jį nematomą raudonai šviesai.
Tolesnio vystymosi taip pat galima tikėtis „fotoninių kristalų“srityje. Fotoninių kristalų technologijos tikslas yra sukurti lustą, kuriame informacijai apdoroti naudojama ne šviesa, o šviesa. Idėja yra panaudoti nanotechnologijas, kad ant paviršiaus išgraviruotų mažus komponentus, kad lūžio rodiklis kistų kiekvienam komponentui. Tranzistoriai, kuriuose veikia šviesa, turi daug pranašumų, palyginti su elektroniniais. Pavyzdžiui, fotoniniuose kristaluose šilumos nuostoliai yra daug mažesni. (Sudėtingos silicio drožlės sukuria pakankamai šilumos kiaušiniui kepti. Kad jie nesugestų, juos reikia nuolat atvėsinti, o tai labai brangu.)
Nenuostabu, kad fotoninių kristalų gamybos technologija turėtų būti ideali metamedžiagoms, nes abi technologijos apima manipuliavimą šviesos lūžio rodikliu nanoskalėje.
Nematomumas per plazmoniką
Nenorėdama, kad konkurentai aplenktų, kita fizikų grupė 2007 m. Viduryje paskelbė apie metamaterijos, galinčios sukioti matomą šviesą, sukūrimą remiantis visiškai kita technologija, vadinama plazmonika. Fizikai Henri Lesekas, Jennifer Dionne ir Harry Atwater iš Kalifornijos technologijos instituto paskelbė, kad sukūrė metamaterialą, turintį neigiamą lūžio rodiklį sudėtingesniame mėlynai žaliame regimojo spektro regione.
Plasmonikos paskirtis yra „išspausti“šviesą tokiu būdu, kad nanomedžiagoje, ypač ant metalinių paviršių, būtų galima manipuliuoti objektais. Metalų elektrinio laidumo priežastis slypi tame, kad metalų atomų elektronai silpnai jungiasi su branduoliu ir gali laisvai judėti išilgai metalinės grotelės paviršiaus. Elektra, einanti per laidus jūsų namuose, yra sklandus laisvai surištų elektronų srautas per metalinį paviršių. Tačiau tam tikromis sąlygomis, kai šviesos spindulys pasiekia metalinį paviršių, elektronai gali vibruoti kartu su šviesa. Šiuo atveju į metalo paviršių atsiranda elektronų bangos pavidalo judesiai (šios bangos vadinamos plazmonomis) laike su elektromagnetinio lauko virpesiais virš metalo. Dar svarbiau, kad šie plazmonai gali būti „suspausti“taip, kad jų dažnis būtų toks pat kaipkaip originalus šviesos pluoštas (tai reiškia, kad jie neša tą pačią informaciją), bet daug trumpesnis bangos ilgis. Iš esmės šias suspaustas bangas galima suspausti į nano laidus. Kaip ir fotoninių kristalų, pagrindinis plazmonikos tikslas yra sukurti kompiuterio lustus, kurie veiktų šviesa, o ne elektra.
Grupė „Kalifornijos technikoje“pastatė savo metamaterialą su dviem sidabro ir silicio-azoto izoliaciniais sluoksniais (vos 50 nm storio) tarp jų. Šis sluoksnis veikia kaip „bangolaidis“, galintis nukreipti plazmono bangas norima linkme. Lazerio spindulys patenka į prietaisą per plyšį, įpjautą į metamaterialą; jis praeina per bangolaidį, o po to išeina per antrąjį plyšį. Jei išanalizuosite kampus, kuriais lazerio spindulys yra sulenktas, einant per metamaterialą, galite nustatyti, kad medžiagos neigiamas lūžio rodiklis yra šviesai, turinčiai tam tikrą bangos ilgį.
Metamedžiagų ateitis
Ateityje tiriant metamaterialus progresas paspartės dėl paprastos priežasties, kad jau dabar yra didelis susidomėjimas kurti tranzistorius, kurie veiktų šviesos, o ne elektros energija. Todėl galima daryti prielaidą, kad nematomumo srities tyrimai galės „vairuoti pasivažinėjimą“, ty pasinaudokite jau vykdomų tyrimų rezultatais, norėdami sukurti silicio lusto pakaitalas, naudojant fotoninius kristalus ir plazmoniką. Jau šiandien šimtai milijonų dolerių yra investuojami į technologijos, skirtos pakeisti silicio drožles, plėtrą, be to, bus naudingi moksliniai tyrimai metamaterialų srityje.
Šiuo metu nauji pagrindiniai atradimai šioje srityje daromi kas kelis mėnesius, todėl nenuostabu, kad kai kurie fizikai tikisi, kad pirmieji realaus nematomumo skydo pavyzdžiai pasirodys laboratorijoje per kelis dešimtmečius. Taigi mokslininkai įsitikinę, kad per artimiausius kelerius metus sugebės sukurti metamaterialus, kurie objektą galėtų padaryti bent jau nematomą bent jau dviem matmenimis, kad būtų matoma bet kokio dažnio šviesa. Norint pasiekti šį efektą, į metamaterjalą reikės įterpti mažus nanoimplantus ne įprastomis eilėmis, o sudėtinga tvarka, kad dėl to šviesa sklandžiai susisuktų aplink paslėptą objektą.
Tada mokslininkai turės išrasti ir sukurti metamaterialus, galinčius sulenkti šviesą trimis matmenimis, o ne tik ant plokščių dvimačių paviršių. Fotolitografija yra patikrinta plokščių silicio grandinių gamybos technologija; trimatėms metamaterialoms sukurti reikės bent jau sudėtingo kelių plokščių schemų išdėstymo.
Po to mokslininkai turės išspręsti problemą, kaip sukurti metamaterialus, kurie lenkia šviesą ne vienu dažniu, bet keliais - arba, tarkime, dažnių juosta. Be abejo, tai pati sunkiausia užduotis, nes visi iki šiol sukurti mažyčiai implantai nukreipia tik vieno tikslaus dažnio šviesą. Mokslininkams gali tekti spręsti daugiasluoksnių metamaterialų problemas, kai kiekvienas sluoksnis veiks vienu konkrečiu dažniu. Kol kas neaišku, koks bus šios problemos sprendimas.
Tačiau nematomumo skydas, net ir galutinai sukūręs laboratorijoje, gali būti visai ne toks, kokio mes norime, greičiausiai, tai bus sunkus ir sunkus prietaisas. Hario Poterio skraistė buvo siuvama iš plono, minkšto audinio ir padarė nematomu visus, kas save apvyniojo. Bet kad toks poveikis būtų įmanomas, lūžio rodiklis audinio viduje turi nuolat keistis kompleksiškai, atsižvelgiant į audinio virpesius ir asmens judesius. Tai nepraktiška. Greičiausiai nematomumo skraistė, bent jau iš pradžių, bus tvirtas metamaterijos cilindras. Tokiu atveju cilindro viduje lūžio rodiklis gali būti pastovus. (Sudėtingesniuose modeliuose laikui bėgant gali atsirasti lanksčių metamaterialų, kurie gali pasilenkti ir kartu išlaikyti šviesą teisingame kelyje.kas bus „apsiausto“viduje, gaus tam tikrą judėjimo laisvę.)
Nematomumo skydas turi vieną trūkumą, į kurį jau buvo ne kartą atkreiptas dėmesys: tas, kuris yra viduje, negali pasižiūrėti į išorę, nebūdamas matomas. Įsivaizduokite Harį Poterį tik matomomis akimis; o atrodo, kad jie plūduriuoja oru tinkamame aukštyje. Bet kokios akies skylės nematomumo glėbyje būtų aiškiai matomos iš išorės. Jei padarysite Harį Poterį visiškai nematomu, tada jis turės sėdėti aklai ir visiškoje tamsoje po savo glėbiu. (Vienas iš galimų šios problemos sprendimo būdų būtų du maži akiniai prieš akis. Šie akiniai veiktų kaip „pluošto dalikliai“; jie nuplėš ir nukreipia mažą ant jų krintančios šviesos dalį į akis. Tačiau didžioji dalis šviesos, patenkančios į apsiaustą, buvo aplenktų, padarydamas asmenį nematomą viduje, tačiau kai kurie, labai maži,dalis jo atskirtų ir patektų į akis.)
Neabejotinai kliūtys nematomumui yra labai rimtos, tačiau mokslininkai ir inžinieriai yra nusiteikę optimistiškai ir mano, kad per artimiausius kelis dešimtmečius gali būti sukurtas vienoks ar kitoks nematomumo skydas.
Nematomumas ir nanotechnologijos
Kaip jau minėjau, raktas į nematomumą gali būti nanotechnologijų plėtra, t. gebėjimas manipuliuoti atominėmis (maždaug viena milijardo metro skersmens) struktūromis.
Nanotechnologijų gimimo momentas vadinamas garsiąja paskaita ironišku pavadinimu „Apačioje pilna erdvės“, kurią 1959 m. Prieš Amerikos fizikų draugiją skaitė Nobelio premijos laureatas Richardas Feynmanas. Šioje paskaitoje jis papasakojo apie tai, kaip gali atrodyti mažiausios mašinos pagal žinomą. mus pagal fizikos dėsnius. Feynmanas suprato, kad mašinų dydis taps mažesnis ir mažesnis, kol jos priartės prie atomo dydžio, o tada patys atomai gali būti naudojami kuriant naujas mašinas. Jis padarė išvadą, kad paprasčiausios atominės mašinos, tokios kaip blokas, svirtis ar ratas, neprieštarauja fizikos dėsniams, tačiau jas pagaminti bus be galo sunku.
Nanotechnologijos daugelį metų nyko užmarštyje - vien dėl to meto technologijos neleido manipuliuoti atskirais atomais. Tačiau 1981 m. Įvyko lūžis - fizikai Gerdas Binnigas ir Heinrichas Rohreras iš IBM laboratorijos Ciuriche išrado nuskaitymo tunelinį mikroskopą, kuris vėliau jiems pelnė Nobelio fizikos premiją.
Mokslininkams staiga pavyko gauti nuostabius atskirų atomų „paveikslėlius“, sujungtus į struktūras - lygiai tokius pat, kaip paprastai vaizduojama chemijos knygose; vienu metu atominės teorijos kritikai manė, kad tai neįmanoma. Dabar buvo galima gauti puikias atomų, išsidėsčiusių eilėmis, tinkamos kristalo ar metalo struktūros, nuotraukas. Chemines formules, kuriomis mokslininkai bandė atspindėti sudėtingą molekulės struktūrą, dabar buvo galima pamatyti plika akimi. Be to, nuskaitymo tunelinis mikroskopas leido manipuliuoti atskirais atomais. Atradėjai iš atskirų atomų išklojo IBM raides, kurios mokslo pasaulyje padarė tikrą sensaciją. Mokslininkai nebėra akli atskirų atomų pasaulyje; jie galėjo pamatyti atomus ir dirbti su jais.
Skenuojančio tunelinio mikroskopo veikimo principas yra apgaulingai paprastas. Tiesiog kai gramofonas adata nuskaito diską, šis mikroskopas lėtai praeina aštriu zondu per tiriamą medžiagą. (Šio zondo galiukas yra toks aštrus, kad baigiasi vienu atomu.) Zondas turi silpną elektros krūvį; elektros srovė teka iš jo galo per tiriamą medžiagą į laidųjį paviršių po ja. Jei zondas praeina per kiekvieną atskirą atomą, srovė šiek tiek pasikeičia; srovės pokyčiai yra kruopščiai registruojami. Srovės pakilimai ir kritimai, kai adata labai tiksliai peržengia atomą ir išsamiai atspindi jos kontūrą. Apdoroję ir pateikę grafine forma duomenis apie dabartinius daugelio leidimų svyravimus, galite gauti gražų atskirų atomų, sudarančių erdvinę gardelę, vaizdą.
(Nuskaitymo tunelinis mikroskopas gali egzistuoti dėl keisto kvantinės fizikos dėsnio. Paprastai elektronai neturi pakankamai energijos, kad galėtų judėti nuo zondo galiuko iki substrato per materijos sluoksnį. Tačiau pagal neapibrėžtumo principą yra nedidelė tikimybė, kad elektronai „tunelis“, t. T. y., Jie prasiskverbia pro barjerą, nors tai prieštarauja Niutono teorijai. Būtent todėl srovė, einanti per medžiagą, yra tokia jautri subtiliajam kvantų efektui joje. Vėliau detaliau pasigilinsiu į kvantinės teorijos padarinius.)
Be to, mikroskopo zondas yra pakankamai jautrus, kad perkeltų atskirus atomus ir sudarytų iš jų paprastus „aparatus“. Šiuo metu ši technologija yra tokia pažengusi, kad kompiuterio ekrane galite pamatyti atomų grupę ir, paprasčiausiai perkeldami žymeklį, atskirus atomus galite perkelti savavališkai. Dešimtimis atomų galima manipuliuoti taip lengvai, kaip „Lego“plytomis. Jūs galite ne tik išdėstyti atomų raides, bet ir kurti žaislus, tokius kaip, pavyzdžiui, abacus, kur rankogaliai yra surenkami iš atskirų atomų. Tam atomai yra išdėstyti ant paviršiaus, kuriame yra vertikalūs grioveliai. Sferinės fullenos („futbolo kamuoliai“, sudaryti iš atskirų anglies atomų) įstatomos į griovelius. Šie anglies rutuliai yra atominių sąskaitų kaulai, judantys aukštyn ir žemyn jų grioveliais.
Taip pat galite iškirpti atominius prietaisus elektronų pluoštais. Pavyzdžiui, Kornelio universiteto mokslininkai iš kristalinio silicio iškirpo mažiausią pasaulyje gitarą, kurios dydis yra 20 kartų mažesnis už žmogaus plauko storį. Gitara turi šešias stygas, kurių kiekviena yra po šimtą atomų, kurias galima ištraukti atominės jėgos mikroskopu. (Gitara iš tikrųjų groja muziką, tačiau jos skleidžiami dažniai yra toli už žmogaus ausies girdimumo.)
Šiais laikais beveik visi „nanomainai“yra tik žaislai. Dar reikia sukurti sudėtingesnes mašinas su krumpliaračiais ir guoliais. Tačiau daugelis inžinierių įsitikinę, kad realių atominių mašinų laikas eina. (Gamtoje tokios mašinos egzistuoja. Vienaląsčiai organizmai gali laisvai plaukti vandenyje dėl mažyčių plaukų judesių. Bet jei atidžiai apsvarstysime plauko ir ląstelės ryšį, paaiškės, kad būtent atominė mašina leidžia plaukams savavališkai judėti į visas puses. Todėl vienas iš nanotechnologijų vystymo būdų yra gamtos kopijavimas, kuris prieš milijardus metų įvaldė atominių mašinų gamybą.)
Hologramos ir nematomumas
Kitas būdas padaryti žmogų šiek tiek nematomą - nufotografuoti vaizdą, esantį už jo, ir tada vaizduoti tą vaizdą tiesiai ant žmogaus drabužių ar priešais jį esančiame ekrane. Jei pažvelgsite iš priekio, atrodys, kad žmogus tapo skaidrus, o šviesa kažkaip praeina per jo kūną.
Šį procesą, vadinamą „optiniu maskavimu“, rimtai vykdė Naoki Kawakami iš Tokijo universiteto Tachi laboratorijos. Jis sako: „Ši technologija galėtų būti naudojama norint padėti pilotams pamatyti KTT per kabinos grindis arba padėti vairuotojams apsidairyti stovint“. Kawakami apsiaustas yra padengtas mažyčiais atspindinčiais karoliukais, kurie veikia kaip filmo ekranas. Tai, kas nutinka iš paskos, nufilmuota vaizdo kamera. Šis vaizdas tada patenka į vaizdo projektorių, kuris, savo ruožtu, jį iškelia į priekyje esančią skraistę. Atrodo, kad šviesa prasiskverbia į žmogų per ir per.
Lietpalčių su optiniu kamufliažo sistema prototipai jau buvo sukurti laboratorijoje. Jei žiūrite tiesiai iš priekio į žmogų tokiame glėbyje, atrodo, kad jis dingsta, nes matote tik vaizdą apie tai, kas vyksta už nugaros. Bet jei jūs, o kartu ir jūsų akys, šiek tiek judėsite, o vaizdas ant glėbio išliks toks pats, paaiškės, kad tai tik apgaulė. Realistiškesnėje optinio maskavimo sistemoje reikės sukurti trijų matmenų vaizdo iliuziją. Tam reikės hologramų.
Holograma yra 3D vaizdas, sukurtas lazerių (pagalvokite apie 3D princesės Leia paveikslą „Žvaigždžių karuose“). Galite padaryti žmogų nematomą fotografuodami už jo foną, naudodamiesi specialia holografine kamera, ir vėl sukurkite jį specialiame priešais jį esančiame holografiniame ekrane. Stebėtojas išvys priešais save holografinį ekraną su vaizdu į viską, kas iš tikrųjų yra priekyje, išskyrus asmenį. Atrodys, lyg žmogus tiesiog dingtų. Jo vietoje bus tikslus 3D fono vaizdas. Net ir persikėlę negalėsite suprasti, kad priešais jus yra klastotė.
Sukurti tokius trimačius vaizdus įmanoma dėl lazerio šviesos „darnos“, t. faktas, kad elektromagnetiniai virpesiai joje vyksta griežtai kartu. Norėdami sudaryti hologramą, koherentinis lazerio pluoštas padalijamas į dvi dalis. Viena pusė yra nukreipta į fotografinį filmą, kita - į tą patį fotografinį filmą, bet po atspindžio iš objekto. Kai įsikiša dvi spindulio pusės, ant plėvelės atsiranda trikdžių raštas, kuriame yra visa informacija apie originalų trimatį pluoštą. Filmas po kūrimo neatrodo labai daug žadantis - jame matomas tik nesuprantamų linijų ir garbanų tinklas. Bet jei pro šią plėvelę praleisite lazerio spindulį, ore pasirodys tiksli objekto trimatė kopija, tarsi stebuklinga.
Nepaisant to, holografinis nematomumas kelia labai rimtų problemų tyrinėtojams. Vienas iš jų - holografinės kameros, galinčios padaryti bent 30 nuotraukų per sekundę, sukūrimas. Kitas yra visos šios informacijos saugojimas ir apdorojimas. Galiausiai vaizdą turėsite išprojektuoti į ekraną, kad jis atrodytų tikroviškas.
Nematomumas per ketvirtąją dimensiją
Reikėtų paminėti kitą, daug gudresnį būdą tapti nematomu, kaip tai aprašė H. G. Wellsas romane „Nematomas žmogus“. Šis metodas apima ketvirtosios dimensijos galimybių naudojimą. (Vėliau šioje knygoje plačiau kalbėsiu apie galimą aukštesnių dimensijų egzistavimą.) Ar žmogus gali palikti mūsų trimatę visatą ir pakilti virš jos ketvirtoje dimensijoje, stebėdamas, kas vyksta iš šono? Kaip trijų dimensijų drugelis, plazdantis per dvimatį popieriaus lapą, toks žmogus būtų nematomas visiems žemiau esantiems Visatos gyventojams. Vienintelė problema yra tai, kad aukštesnių matmenų buvimas dar neįrodytas. Be to, hipotetinei kelionei į vieną iš šių dimensijų prireiktų daug daugiau energijos, nei šiuo metu turime esant dabartinei technikos situacijai. Jei mes kalbėsime apie realius nematomumo pasiekimo būdus, tada šis metodas, aišku, yra toli už mūsų dabartinių žinių ir galimybių ribų.
Atsižvelgiant į didžiulę pažangą, padarytą jau nematomumo link, manau, kad galime drąsiai tai priskirti I klasės negalimumui. Vienos ar kitos rūšies nematomumas gali tapti įprastu per ateinančius kelis dešimtmečius, bent jau amžiaus pabaigoje.