В Star Trek IV: The Voyage Home, екипажът на Enterprise превзема боен крайцер „Клингън“. За разлика от корабите на федерацията Starfleet, корабите на империята на Клингон са оборудвани с тайно „прикриващо устройство“, което може да ги направи невидими за окото и радара. Това устройство позволява на клингонските кораби да преминават незабелязано в опашката на корабите на федерацията и да нанасят удари безнаказано. Благодарение на прикриващото устройство, империята на клингон има стратегическо предимство пред Федерацията на планетите.
Възможно ли е действително такова устройство? Невидимостта отдавна се превърна в едно от обичайните чудеса на научнофантастичните и фентъзи творби - от „Невидимият човек“до магическото наметало за невидимост на Хари Потър или пръстена от „Властелинът на пръстените“. Независимо от това, поне сто години физиците единодушно отричат възможността за създаване на наметала за невидимост и недвусмислено заявяват, че това е невъзможно: наметалата, казват те, нарушават законите на оптиката и не са съгласни с нито едно от известните свойства на материята.
Но днес невъзможното може да стане възможно. Напредъкът в областта на „метаматериалите“налага значителна ревизия на учебниците по оптика. Работните образци на такива материали, създадени в лабораторията, представляват голям интерес за медиите, индустриалците и военните; всички се интересуват как да направят видимото невидимо.
Невидимост в историята
Невидимостта е може би едно от най-старите понятия в древната митология. От началото на времето човек, оставен сам в плашещата тишина на нощта, почувства присъствието на невидими същества и се страхува от тях. Около него в тъмнината дебнеха духовете на мъртвите - душите на онези, които бяха отишли преди него. Гръцкият герой Персей, въоръжен с невидим шлем, успя да убие злата горгона Медуза. Генералите от всички времена са мечтали за прикриващо устройство, което да им позволи да станат невидими за врага. Използвайки невидимост, човек лесно би могъл да проникне в линията на отбраната на противника и да го изведе изненада. Престъпниците могат да използват невидимост за извършване на дръзки грабежи.
В теорията за етиката и морала на Платон невидимостта играе основна роля. Във философския си труд „Държавата“Платон ни разказа мита за пръстена на Гига. В този мит бедният, но честен пастир Гиг от Лидия влиза в тайна пещера и намира гробница там; вижда златен пръстен на пръста на трупа. Освен това Гиг открива, че пръстенът има магически сили и може да го направи невидим. Бедният овчар е буквално пиян от силата, която му е дал пръстенът. Пробивайки се в кралския дворец, Гигус съблазнява кралицата с пръстен, след което с нейна помощ убива краля и става следващият крал на Лидия.
Моралът, който Платон извежда от тази история, е, че никой не е в състояние да устои на изкушението да вземе чуждо и да убие безнаказано. Хората са слаби, а моралът е социално явление, което трябва да се имплантира и подкрепя отвън. На публично място човек може да спазва морални стандарти, за да изглежда приличен и честен и да поддържа собствената си репутация, но щом му предоставите възможност да стане невидим, той няма да може да се съпротивлява и със сигурност ще използва новата си сила. (Някои смятат, че тази морална притча е вдъхновила JRR Tolkien да създаде трилогията "Властелинът на пръстените"; пръстенът, който прави собственика си невидим, също е източник на зло.)
Промоционално видео:
В научната фантастика невидимостта е едно от най-често срещаните сюжетни движения. През комиксите от 30-те години. "Флаш Гордън" Флаш става невидим, за да се скрие от стрелбата на злодейския Минг Безмилостния. В романите и филмите за Хари Потър главният герой, облечен в магическо наметало, може да се скита из замъка Хогвартс незабелязано.
Х. Г. Уелс в класическия роман „Невидимият човек“е въплътил приблизително същите идеи в конкретна форма. В този роман студент по медицина случайно открива възможностите на четвъртото измерение и става невидим. За съжаление той използва получените фантастични възможности за лична изгода, извършва цяла поредица от дребни престъпления и в крайна сметка умира в отчаян опит да избяга от полицията.
Уравненията на Максуел и мистерията на светлината
Физиците сравнително наскоро придобиха ясно разбиране за законите на оптиката в резултат на работата на шотландеца Джеймс Клерк Максуел, един от гигантите на физиката през 19 век. В известен смисъл Максуел беше пълната противоположност на Фарадей. Ако Фарадей имаше отличен усет към експериментатора, но нямаше официално образование, тогава съвременният му Максуел беше майстор на висшата математика. Завърши обучението си по математическа физика с отличие в Кеймбридж, където Исак Нютон работи два века преди него.
Нютон измисли диференциално смятане - описва на езика на диференциалните уравнения как обектите непрекъснато претърпяват безкрайно малки промени във времето и пространството. Движението на океанските вълни, течности, газове и оръдия може да бъде описано чрез диференциални уравнения. Максуел започва да работи с ясна цел в ума: да изрази революционните открития на Фарадей и неговите физически полета, използвайки точни диференциални уравнения.
Максуел започна с твърдението на Фарадей, че електрическите полета могат да се превърнат в магнитни и обратно. Той направи снимки на физически полета, начертани от Фарадей, и ги записа на точния език на диференциалните уравнения. В резултат на това се получи една от най-важните системи на уравнения в съвременната наука. Това е система от осем диференциални уравнения с доста страховит вид. Всеки физик и инженер в света трябваше да се поти над тях наведнъж, овладявайки електромагнетизма в института.
Тогава Максуел си зададе съдбовен въпрос: ако магнитното поле може да се превърне в електрическо поле и обратно, тогава какво се случва, ако те постоянно се променят от едно в друго в безкрайна поредица от трансформации? Максуел откри, че такова електромагнитно поле би породило вълна, подобна на океана. Той изчисли скоростта на движение на такива вълни и за свое учудване установи, че тя е равна на скоростта на светлината! През 1864 г., откривайки този факт, той пророчески пише: "Тази скорост е толкова близка до скоростта на светлината, че изглежда имаме всички основания да заключим, че самата светлина … е електромагнитно смущение."
Това откритие стана може би едно от най-великите в историята на човечеството - тайната на светлината най-накрая беше разкрита! Максуел внезапно осъзна, че всичко - сиянието на летния изгрев и яростните лъчи на залязващото слънце, и ослепителните цветове на дъгата и звездите на нощното небе - могат да бъдат описани с помощта на вълни, които небрежно изобразява на лист хартия. Днес ние разбираме, че целият електромагнитен спектър: радарни сигнали, микровълнова радиация и телевизионни вълни, инфрачервена, видима и ултравиолетова светлина, рентгенови лъчи и гама лъчи не са нищо повече от максуелска вода; и те от своя страна представляват вибрациите на физическите полета на Фарадей.
Говорейки за значението на уравненията на Максуел, Айнщайн пише, че това е "най-дълбокото и ползотворно нещо, което физиката е преживяла от времето на Нютон".
(Трагично е, че Максуел, един от най-големите физици на 19-ти век, е починал достатъчно млад, на 48-годишна възраст от рак на стомаха - вероятно същата болест, убила майка му на тази възраст. Ако е живял по-дълго, той може да е успял би открил, че уравненията му позволяват да се изкривят пространството и времето, което води директно към теорията на относителността на Айнщайн Идеята, че ако Максуел е живял по-дълго и теорията на относителността би могла да се появи по време на Американската гражданска война, е шокираща до основата.)
Теорията на Максуел за светлината и атомната теория за структурата на материята дават просто обяснение на оптиката и невидимостта. В твърдо вещество атомите са плътно опаковани, докато в течност или газ разстоянието между молекулите е много по-голямо. Повечето твърди частици са непрозрачни, тъй като светлинните лъчи не могат да преминат през плътен масив от атоми, който действа като тухлена стена. От друга страна, много течности и газове са прозрачни, защото по-лесно светлината преминава между редки атоми, разстоянието между които е по-голямо от дължината на вълната на видимата светлина. Например, вода, алкохол, амоняк, ацетон, водороден прекис, бензин и други течности са прозрачни, както и прозрачни и газове като кислород, водород, азот, въглероден диоксид, метан и др.
Из этого правила существует несколько важных исключений. Многие кристаллы одновременно твердые и прозрачные. Но атомы в кристалле располагаются в узлах правильной пространственной решетки и образуют регулярные ряды с одинаковыми интервалами между ними. В результате в кристаллической решетке всегда много путей, по которым луч света может пройти сквозь нее. Поэтому, хотя атомы в кристалле упакованы не менее плотно, чем в любом другом твердом теле, свет все же способен проникать сквозь него.
При определени обстоятелства дори твърд предмет с произволно разположени атоми може да стане прозрачен. При някои материали този ефект може да се постигне чрез нагряване на обекта до висока температура и след това бързо охлаждане. Например стъклото е твърдо вещество, което поради случайното подреждане на атоми има много от свойствата на течност. Някои бонбони също могат да бъдат прозрачни по този начин.
Очевидно свойството на невидимост възниква на атомно ниво, според уравненията на Максуел и затова е изключително трудно, ако не и невъзможно, да се възпроизведе, като използва конвенционални методи. За да направи Хари Потър невидим, той ще трябва да бъде ликвидиран, сварен и превърнат в пара, кристализиран, нагряван и охладен - трябва да се съгласите, всяко едно от тези действия би било много трудно дори за магьосник.
Военните, неспособни да построят невидим самолет, се опитаха да направят по-просто нещо: те създадоха технологията на стелата, която прави самолета невидим за радарите. Технологията Stele, базирана на уравненията на Maxwell, изпълнява серия от трикове. Изтребителят на стелевия реактивен лес се вижда с просто око, но на радарния екран на врага неговото изображение е приблизително с размерите на голяма птица. (Всъщност технологията за стел е комбинация от няколко напълно различни трика. Когато е възможно, строителните материали на изтребителя се заменят с прозрачни за радар материали: вместо стомана се използват различни пластмаси и смоли; ъгли на фюзелажа се променят; дизайн на дюзата на двигателя и т.н. всички тези трикове могат да бъдат направени от радарния лъч на врага, удрящ самолета,разпръснете се във всички посоки и не се връщайте към приемащото устройство. Но дори и с тази технология изтребителят не става напълно невидим; той просто отклонява и разпиля радарния лъч, колкото е възможно по-технически.)
Метаматериали и невидимост
Може би най-обещаващият от последните постижения на невидимостта е екзотичен нов материал, известен като „метаматериал“; възможно е някой ден той да направи обектите действително невидими. Смешно е, но веднъж съществуването на метаматериали също се считаше за невъзможно, тъй като те нарушават законите на оптиката. Но през 2006 г. изследователи от университета Дюк в Дърам, Северна Каролина и Imperial College London успешно опровергаха тази конвенционална мъдрост и направиха обекта невидим за микровълновото излъчване с помощта на метаматериали. Все още има достатъчно препятствия по този път, но за първи път в историята човечеството има техника, която позволява да се правят обикновени предмети невидими. (Това проучване е финансирано от DARPA, Агенцията за напреднали научни проекти в областта на отбраната.)
Нейтън Мирволд, бивш главен технолог в Microsoft, твърди, че революционната сила на метаматериалите "напълно ще промени начина, по който подхождаме към оптиката и почти всеки аспект на електрониката … Някои от метаматериалите са способни на подвизи, които биха изглеждали като чудеса преди десетилетия".
Какво представляват метаматериалите? Това са вещества с оптични свойства, които не съществуват в природата. Когато се създават метаматериали, малки материи се имплантират в материята, принуждавайки електромагнитните вълни да поемат по нестандартни пътеки. В Университета Дюк учените са вмъкнали много малки електрически вериги в медни ленти, положени в плоски концентрични кръгове (всички малко като котлон). Резултатът е сложна структура, изработена от керамика, тефлон, композитни влакна и метални компоненти. Малките импланти, открити в мед, правят възможно отклоняването на микровълновото излъчване и насочването му по предварително определен път. Представете си река, която тече около камък. Водата се обръща около камъка много бързоследователно присъствието му по течението не влияе по никакъв начин и е невъзможно да се разкрие. По същия начин метаматериалите са в състояние непрекъснато да променят маршрута на микровълните, така че да текат около, да речем, определен цилиндър и по този начин да направят всичко вътре в този цилиндър невидимо за радиовълните. Ако метаматериалът също може да елиминира всички отражения и сенки, тогава обектът ще стане напълно невидим за тази форма на излъчване.
Учените успешно демонстрират този принцип с устройство, съставено от десет пръстена от фибростъкло, покрити с медни елементи. Медният пръстен вътре в устройството беше почти невидим за микровълновото излъчване; тя хвърля само слаба сянка.
Необичайните свойства на метаматериалите се основават на способността им да контролират параметър, известен като „индекс на пречупване“. Пречупване - свойството на светлината да променя посоката на разпространение при преминаване през прозрачен материал. Ако поставите ръката си във вода или просто погледнете през лещите на очилата си, ще забележите, че водата и стъклото отклоняват и изкривяват пътя на обикновените светлинни лъчи.
Причината за отклонението на светлинен лъч в стъкло или вода е, че светлината се забавя, когато навлиза в плътен прозрачен материал. Скоростта на светлината в идеален вакуум е постоянна, но в стъкло или вода светлината се „изтласква“през струпване от трилиони атоми и следователно се забавя. (Съотношението на скоростта на светлината във вакуум към скоростта на светлината в среда се нарича коефициент на пречупване. Тъй като светлината се забавя във всяка среда, коефициентът на пречупване винаги е по-голям от единица.) Например, коефициентът на пречупване за вакуум е 1,00; за въздух -1,0003; за стъкло-1,5; за диамант-2.4. Като правило, колкото по-гъста е средата, толкова повече тя отклонява светлинния лъч и съответно, толкова по-висок е показателят на пречупване.
Mirages може да служи като много ясна демонстрация на явленията, свързани с пречупването. Ако вие, карайки по магистралата в горещ ден, гледате право към хоризонта, тогава пътят ще ви се стори блестящ на места и ще създаде илюзията за пенлива водна повърхност. В пустинята понякога можете да видите очертанията на далечни градове и планини на хоризонта. Това се случва, защото въздухът, нагряван над пътното дъно или пустинен пясък, има по-ниска плътност и съответно по-нисък коефициент на пречупване от заобикалящия нормален, по-хладен въздух; следователно светлината от отдалечени предмети може да се пречупи в нагрят слой въздух и след това да влезе в окото; това ви създава илюзията, че наистина виждате далечни предмети.
По правило индексът на пречупване е постоянна стойност. Тесен лъч светлина, проникващ в стъклото, променя посоката и след това продължава да се движи по права линия. Но да предположим за момент, че сме в състояние да контролираме показателя на пречупване, така че във всяка точка на стъклото да може постоянно да се променя по даден начин, Светлината, движейки се в такъв нов материал, би могла да промени посоката произволно; пътят на лъча в тази среда би се виел като змия.
Ако беше възможно да се контролира показателят на пречупване в метаматериал, така че светлината да се огъва около определен обект, тогава този обект ще стане невидим. За да се получи такъв ефект, показателят на пречупване в метаматериал трябва да бъде отрицателен, но всеки учебник по оптика казва, че това е невъзможно, т.е.
(Метаматериалите за пръв път са предсказани теоретично в работата на съветския физик Виктор Веселаго през 1967 г. Веселагого показа, че тези материали трябва да имат такива необичайни оптични свойства като отрицателен показател на пречупване и обратния доплеров ефект. Метаматериалите изглеждат толкова странни и дори абсурдни, че в началото практическото им прилагане беше счетено за просто невъзможно. Въпреки това през последните няколко години в лабораторията бяха получени метаматериали, което принуди физиците да започнат да пренаписват учебници по оптика.)
Изследователите, които се занимават с мета материали, постоянно се дразнят от журналистите с въпроса: кога на пазара най-накрая ще се появят наметала за невидимост? Отговорът може да бъде формулиран много просто: не скоро.
Дейвид Смит от университета Дюк казва: „Репортерите се обаждат и просят поне срок. След колко месеца или, да речем, години ще стане. Те притискат, притискат и притискат и накрая не можеш да издържиш и да кажеш, че може би след петнадесет години. И точно там - заглавие на вестника, нали? Петнадесет години преди наметалото на Хари Потър. Ето защо сега той отказва да назове всякакви дати.
Феновете на Хари Потър или Стар Трек вероятно ще трябва да изчакат. Въпреки че истинското наметало за невидимост вече не противоречи на известните природни закони - както повечето физици сега са съгласни с това - все още има много трудни технически пречки за преодоляване, преди тази технология да бъде разширена, за да работи с видима светлина, а не само с микровълнова печка радиация.
В общия случай размерите на вътрешните структури, вградени в метаматериала, трябва да бъдат по-малки от дължината на вълната на излъчване. Например, микровълните могат да имат дължина на вълната от порядъка на 3 см, така че ако искаме метаматериалът да огъне пътя на микровълните, трябва да вмъкнем импланти в него по-малки от 3 см. Но за да направим обекта невидим за зелена светлина (с дължина на вълната 500 nm), метаматериалът трябва да има вградени структури с дължина само около 50 nm. Но нанометрите вече са атомна скала и нанотехнологиите са необходими за работа с такива размери. (Нанометърът е една милиардна част от метър. Един нанометър може да побере около пет атома.) Може би това е основният проблем, с който ще трябва да се сблъскаме при създаването на истинска наметала за невидимост. Да се огъва по желание, като змия, пътеката на светлинен лъч,би трябвало да модифицираме отделни атоми в метаматериала.
Метаматериали за видима светлина
Така започна състезанието.
Веднага след съобщението за получаването на първите метаматериали в лабораторията започна трескава активност в тази област. На всеки няколко месеца чуваме за революционни прозрения и стряскащи пробиви. Целта е ясна: да се създадат метаматериали, като се използват нанотехнологии, които могат да огъват не само микровълни, но и видима светлина. Вече са предложени няколко подхода и всички те изглеждат доста обещаващи.
Едно от предложенията е да се използват готови методи, тоест да се вземат назаем използваните технологии на микроелектронната индустрия за производството на метаматериали. Например, миниатюризацията на компютрите се основава на технологията на "фотолитографията"; тя е и двигателят на компютърната революция. Тази технология позволява на инженерите да поставят стотици милиони малки транзистори върху силиконова вафла с размер на миниатюра.
Мощността на компютрите се удвоява на всеки 18 месеца (този модел се нарича закон на Мур). Това се дължи на факта, че учените с помощта на ултравиолетовото лъчение "ецват" все повече и повече миниатюрни компоненти върху силиконовите чипове. Тази технология е много подобна на процеса, чрез който модел се оформя върху шарена тениска. (Компютърните инженери започват с тънка подложка, върху която отгоре се наслагват най-фините слоеве от различни материали. След това субстратът е покрит с пластмасова маска, която действа като шаблон. Сложният модел на проводници, транзистори и компютърни компоненти, които формират основата на схемата, е предварително приложен към маската. Заготовката се облъчва с твърда UV светлина, тоест изложени на ултравиолетово лъчение с много къса дължина на вълната;това излъчване, както би могло, пренася модела на матрицата върху светлочувствителен субстрат. След това детайлът се обработва със специални газове и киселини и сложният модел на матрицата се изкарва върху субстрата в онези места, където е бил изложен на ултравиолетово лъчение. Резултатът от този процес е плоча със стотици милиони мънички вдлъбнатини, които образуват веригите на транзисторите.) В момента най-малките компоненти, които могат да бъдат създадени с помощта на описания процес, са около 30 nm (или около 150 атома). Резултатът от този процес е плоча със стотици милиони мънички вдлъбнатини, които образуват веригите на транзисторите.) В момента най-малките компоненти, които могат да бъдат създадени с помощта на описания процес, са около 30 nm (или около 150 атома). Резултатът от този процес е плоча със стотици милиони мънички вдлъбнатини, които образуват веригите на транзисторите.) В момента най-малките компоненти, които могат да бъдат създадени с помощта на описания процес, са около 30 nm (или около 150 атома).
Забележителен етап от пътя към невидимостта беше неотдавнашен експеримент на група учени от Германия и Министерството на енергетиката на САЩ, в който процесът на ецване на силиконов субстрат беше използван за направата на първия метаматериал, способен да работи във видимия диапазон на светлината. В началото на 2007 г. учените обявиха, че създаденият от тях метаматериал влияе на червената светлина. „Невъзможното“беше реализирано за изненадващо кратко време.
Физикът Костас Сукулис от лабораторията на Еймс и държавния университет в Айова, заедно със Стефан Линден, Мартин Вегенер и Гунар Долинг от университета в Карлсруе в Германия, успя да създаде метаматериал с показател на пречупване -0,6 за червена светлина с дължина на вълната 780 nm. (Преди това световният рекорд за дължината на вълната на радиация, която беше „обвита“с метаматериал, беше 1400 nm; това вече не се вижда, а инфрачервена светлина.)
Като начало учените взеха лист стъкло и приложиха върху него тънък слой сребро, след това слой магнезиев флуорид, след това отново слой сребро; по този начин се получи "сандвич" с флуорид с дебелина само 100 nm. След това учените използваха стандартна технология за офорт, за да направят много малки квадратни дупки в този сандвич (ширина само 100 nm, много по-малка от дължината на вълната на червената светлина); резултатът е решетъчна структура, напомняща риболовна мрежа. След това преминаха лъч червена светлина през получения материал и измериха показателя на пречупване, който беше -0,6.
Авторите предвиждат, че изобретената от тях технология ще намери широко приложение. Метаматериалите „някой ден могат да доведат до един вид плоски суперленни, които работят във видимия спектър“, казва д-р Сукулис. „Този обектив ще ви позволи да получите по-висока разделителна способност от традиционната технология и да разграничите детайлите, които са значително по-малки от дължината на вълната на светлината.“Очевидно, едно от първите приложения на „свръхлените“би било да снима микроскопични обекти с безпрецедентна яснота; можем да говорим за фотографиране вътре в жива човешка клетка или за диагностициране на заболявания на плода в утробата. В идеалния случай ще бъде възможно да се фотографират компонентите на молекулата на ДНК директно, без да се използват сурови техники за рентгенова кристалография.
Досега учените успяха да демонстрират отрицателен показател на пречупване само за червена светлина. Но методът трябва да бъде разработен и следващата стъпка е да се създаде метаматериал, който би могъл напълно да обиколи червения лъч около обекта, правейки го невидим за червената светлина.
По-нататъшно развитие може да се очаква и в областта на „фотонните кристали“. Целта на фотонната кристална технология е да създаде чип, който използва светлина вместо електричество за обработка на информация. Идеята е да се използва нанотехнология за ецване на малки компоненти върху субстрата, така че индексът на пречупване да се променя с всеки компонент. Транзисторите, в които светлинните работи имат много предимства пред електронните. Например, във фотонните кристали има много по-малко загуби на топлина. (Сложните силиконови чипове генерират достатъчно топлина за запържване на яйце. Тези чипове трябва непрекъснато да се охлаждат, за да не се разпадат, което е много скъпо.)
Не е изненадващо, че технологията за производство на фотонови кристали трябва да бъде идеална за мета-материали, тъй като и двете технологии включват манипулиране на коефициента на пречупване на светлината на наноразмера.
Невидимост чрез плазмоника
Не искайки да надмине съперниците, друга група физици обявиха в средата на 2007 г. създаването на метаматериал, способен да върти видима светлина, базиран на напълно различна технология, наречена плазмоника. Физиците Анри Лесек, Дженифър Дион и Хари Атуотър от Калифорнийския технологичен институт обявиха създаването на метаматериал, който има отрицателен показател на пречупване за по-сложния син-зелен регион на видимия спектър.
Целта на плазмониката е да „изстискат“светлината по този начин, така че да могат да се манипулират предмети на наноразмер, особено върху метални повърхности. Причината за електропроводимостта на металите се крие във факта, че електроните в металните атоми са слабо свързани към ядрото и могат свободно да се движат по повърхността на металната решетка. Електричеството, преминаващо през проводниците във вашия дом, е плавен поток от тези слабо свързани електрони през метална повърхност. Но при определени условия, когато светлинен лъч удари метална повърхност, електроните могат да вибрират в унисон със светлината. В този случай вълнообразните движения на електрони се появяват по повърхността на метала (тези вълни се наричат плазмони) след време с колебанията на електромагнитното поле над метала. По-важното е, че тези плазмони могат да бъдат "компресирани", така че да имат същата честота катокато оригиналния светлинен лъч (което означава, че ще носят същата информация), но много по-къса дължина на вълната. По принцип тези сгъстени вълни могат след това да бъдат пресовани в нанопроводници. Както при фотонните кристали, крайната цел на плазмониката е да създадат компютърни чипове, които пускат светлина, а не електричество.
Група от California Tech изгради своя метаматериал с два слоя сребро и силиконово-азотен изолационен слой (дебелина само 50 nm) между тях. Този слой действа като "вълновод", способен да насочва плазмоновите вълни в желаната посока. Лазерен лъч влиза в устройството през прорез в метаматериала; тя преминава през вълновода и след това излиза през втората цепка. Ако анализирате ъглите, под които лазерният лъч е огънат при преминаване през метаматериал, можете да определите, че материалът има отрицателен коефициент на пречупване на светлина с дадена дължина на вълната.
Бъдещето на метаматериалите
Напредъкът в изучаването на метаматериали в бъдеще ще се ускори по простата причина, че вече има голям интерес към създаването на транзистори, които работят на светлинен лъч, вместо на електричество. Следователно можем да предположим, че изследванията в областта на невидимостта ще бъдат в състояние да „карат нагоре“, т.е. да се възползват от резултатите от изследванията, които вече са в ход, за да създадат заместител на силиконов чип, използвайки фотонни кристали и плазмоники. Вече днес стотици милиони долари се инвестират в разработването на технология, предназначена за замяна на силиконови чипове, а изследванията в областта на метаматериалите също ще имат полза.
В момента се правят нови големи открития в тази област на всеки няколко месеца, така че не е изненадващо, че някои физици очакват първите проби от истински щит за невидимост да се появят в лабораторията след няколко десетилетия. Така учените са уверени, че в следващите няколко години ще могат да създадат метаматериали, които могат да направят обект напълно невидим, поне в две измерения, за видима светлина с всякаква конкретна честота. За да се постигне този ефект, ще бъде необходимо да се въведат малки метални наноимпланти в метаматериала не в редовни редове, а в сложен модел, така че в резултат светлината плавно да се огъва около скрития обект.
На следващо място, учените ще трябва да измислят и създават метаматериали, които могат да огъват светлина в три измерения, а не само върху плоски двуизмерни повърхности. Фотолитографията е доказана технология за производство на плоски силиконови схеми; създаването на триизмерни метаматериали ще изисква поне сложно подреждане на няколко плоски диаграми.
След това учените ще трябва да решат проблема с създаването на метаматериали, които огъват светлината не с една честота, а от няколко - или, да речем, лента от честоти. Това е може би най-трудната задача, тъй като всички разработени досега мънички импланти отклоняват светлина само с една точна честота. На учените може да се наложи да се справят с многопластови метаматериали, където всеки слой ще действа с една специфична честота. Все още не е ясно какво ще бъде решението на този проблем.
Но щитът на невидимостта, дори след като най-накрая е създаден в лабораторията, може изобщо да не е това, което искаме, най-вероятно това ще бъде тежко и громисто устройство. Плащът на Хари Потър беше ушит от тънка, мека материя и направи всеки, който се увие в нея, невидим. Но за да бъде възможен такъв ефект, показателят на пречупване вътре в тъканта трябва постоянно да се променя комплексно в съответствие с вибрациите на тъканта и движенията на човека. Това е непрактично. Най-вероятно наметалото за невидимост, поне първоначално, ще бъде солиден цилиндър от метаматериал. В този случай индексът на пречупване вътре в цилиндъра може да бъде направен постоянен. (В по-модерните модели с течение на времето могат да се появят гъвкави метаматериали, които могат да се огъват и в същото време да задържат светлината в себе си по правилния път.който ще бъде вътре в „наметалото“, ще получи известна свобода на движение.)
Щитът за невидимост има един недостатък, който вече многократно е посочван: този, който е вътре, не може да гледа навън, без да стане видим. Представете си Хари Потър с видими само очи; докато те сякаш летят във въздуха на подходяща височина. Всякакви дупки за очи в наметалото за невидимост биха били ясно видими отвън. Ако направите Хари Потър напълно невидим, тогава той ще трябва да седи сляпо и в пълен мрак под наметалото си. (Едно от възможните решения на този проблем биха били две малки очила пред очите. Тези очила биха действали като „разделители на лъчите“; щяха да се прищипват и насочват малка част от светлината, падаща върху тях в очите. би заобиколил, правейки човека невидим отвътре, но някои, много малки,част от него ще се отдели и ще влезе в очите.)
Несъмнено препятствията пред невидимостта са много сериозни, но учените и инженерите са оптимисти и смятат, че през следващите няколко десетилетия може да се създаде един или друг вид щит за невидимост.
Невидимост и нанотехнологии
Както вече споменах, ключът към невидимостта може да бъде развитието на нанотехнологиите, т.е. способността за манипулиране на структури с атомни (около една милиардна част от метър) размери.
Моментът на раждането на нанотехнологиите се нарича известната лекция с ироничното заглавие „На дъното е пълно пространство“, изнесена от Нобеловия лауреат Ричард Фейнман преди Американското физическо общество през 1959 г. В тази лекция той говори за това как могат да изглеждат най-малките машини. нас по законите на физиката. Фейнман осъзна, че размерите на машините ще стават все по-малки и по-малки, докато не се доближат до размера на атом, а след това самите атоми могат да бъдат използвани за създаване на нови машини. Той заключи, че най-простите атомни машини като блок, лост или колело не противоречат на законите на физиката, но ще бъде изключително трудно да бъдат произведени.
В продължение на много години нанотехнологиите закъсняха в забрава - просто защото тогавашната технология не позволяваше манипулирането на отделни атоми. Но през 1981 г. има пробив - физиците Герд Биниг и Хайнрих Рохър от лабораторията на IBM в Цюрих изобретяват сканиращия тунелен микроскоп, който по-късно им печели Нобеловата награда по физика.
Учените внезапно успяха да получат невероятни "снимки" на отделни атоми, комбинирани в структури - абсолютно същите, както обикновено са изобразени в книгите по химия; по едно време критиците на атомната теория смятаха това за невъзможно. Сега беше възможно да се получат великолепни фотографии на атоми, подредени в редове в правилната структура на кристал или метал. Химическите формули, с които учените се опитват да отразят сложната структура на молекулата, вече могат да се видят с просто око. Освен това сканиращият тунелиращ микроскоп даде възможност да се манипулират отделни атоми. Откривателите изложиха буквите IBM от отделни атоми, които направиха истинска сензация в научния свят. Учените вече не са слепи в света на отделните атоми; те бяха в състояние да видят и да работят с атоми.
Принципът на работа на сканиращ тунелен микроскоп е измамно прост. Точно както грамофонът сканира диск с игла, този микроскоп бавно преминава остра сонда върху изследваното вещество. (Върхът на тази сонда е толкова остър, че завършва в един атом.) Сондата носи слаб електрически заряд; електрически ток тече от своя край през изследвания материал към проводимата повърхност под него. Когато сондата преминава над всеки отделен атом, токът се променя леко; промените в тока се записват внимателно. Възходите и паденията на тока, когато иглата преминава над атома много точно и подробно отразяват очертанията му. След като обработите и представите в графична форма данните за текущите колебания за голям брой проходи, можете да получите красива картина на отделни атоми, които образуват пространствена решетка.
(Сканиращ тунелиращ микроскоп може да съществува благодарение на странен закон на квантовата физика. Обикновено електроните нямат достатъчно енергия, за да пътуват от върха на сондата до субстрата през слоя материя. Тоест, те проникват през бариерата, въпреки че това противоречи на теорията на Нютон. Ето защо токът, преминаващ през материала, е толкова чувствителен към фините квантови ефекти в него. По-късно ще се спра на последствията от квантовата теория по-подробно.)
Освен това сондата на микроскопа е достатъчно чувствителна, за да движи отделни атоми и да изгражда от тях прости „машини“. В момента тази технология е толкова усъвършенствана, че можете да видите група атоми на компютърен екран и чрез просто преместване на курсора да преместите отделни атоми по произволен начин. Десетки атоми могат да бъдат манипулирани толкова лесно, колкото лего тухлите. Можете не само да изложите букви от атоми, но и да създадете играчки, като например абак, където кокалчетата са събрани от единични атоми. За това атомите са разположени върху повърхност, оборудвана с вертикални канали. В каналите се вкарват сферични фулерени ("футболни топки", съставени от отделни въглеродни атоми). Тези въглеродни топки служат като костите на атомните сметки, движейки се нагоре и надолу по своите жлебове.
Можете също да изрежете атомни устройства с електронни лъчи. Например, учени от университета Корнел издълбаха от кристален силиций най-малката китара в света, чийто размер е 20 пъти по-малък от дебелината на човешката коса. Китарата има шест струни, всяка с дебелина сто атома, които могат да бъдат изтеглени с микроскоп с атомна сила. (Китарата наистина ще свири музика, но честотите, които произвежда, са далеч извън чуваемостта на човешкото ухо.)
В наши дни почти всички „наномашини“са само играчки. Все още не са създадени по-сложни машини с предавки и лагери. Но много инженери са уверени, че времето за истински атомни машини е на път. (В природата такива машини съществуват. Едноклетъчните организми са в състояние свободно да плават във вода поради движенията на мънички косми. Но ако внимателно обмислим връзката между косъм и клетка, става ясно, че именно атомната машина позволява на косата да се движи произволно във всички посоки. Следователно, един от начините за развитие на нанотехнологиите. е копие на природата, която овладява производството на атомни машини преди милиарди години.)
Холограми и невидимост
Друг начин да направите човек донякъде невидим е да снимате гледката зад себе си и след това да прожектирате това изображение директно върху дрехите на човека или някакъв вид екран пред него. Ако погледнете отпред, ще изглежда, че човекът е станал прозрачен и светлината по някакъв начин преминава през тялото му.
Този процес, известен като „оптично прикриване“, е сериозно преследван по-специално от Наоки Каваками от лабораторията „Тачи“на Токиоския университет. Той казва: „Тази технология може да се използва, за да помогне на пилотите да видят пистата през пода на пилотската кабина или да помогнат на шофьорите да се оглеждат, когато са паркирани“. Плащът на Каваками е покрит с малки светлоотразителни мъниста, които действат като екранен филм. Това, което се случва отзад, е заснето с видеокамера. След това изображението преминава към видео проектор, който от своя страна го проектира върху наметалото отпред. Изглежда, че светлината прониква в човека през и през.
В лабораторията вече са създадени прототипи на дъждобрани с оптична камуфлажна система. Ако погледнете директно отпред човек в такова наметало, изглежда, че той изчезва, защото виждате само изображение на това, което се случва отзад. Но ако вие и заедно с вас очите ви се движат малко, а изображението на наметалото остава същото, ще стане ясно, че това е само измама. В по-реалистична оптична система за прикриване ще е необходимо да се създаде илюзията за триизмерно изображение. Това ще изисква холограми.
Холограма е 3D изображение, създадено от лазери (помислете за 3D изображението на принцеса Лея в Междузвездни войни). Можете да направите човек невидим, ако направите снимка на фона зад него, като използвате специална холографска камера и след това го пресъздадете на специален холографски екран пред него. Наблюдателят ще види холографски екран пред себе си с изображение на всичко, което всъщност е отпред, с изключение на човек. Ще изглежда така, сякаш човекът просто е изчезнал. На негово място ще бъде точно 3D изображение на фона. Дори след преместване няма да можете да разберете, че има фалшив пред вас.
Създаването на такива триизмерни изображения е възможно поради "съгласуваността" на лазерната светлина, т.е. фактът, че електромагнитните трептения в него възникват строго в унисон. За изграждането на холограма кохерентният лазерен лъч се разделя на две части. Едната половина е насочена към фотографския филм, другата - към същия фотографски филм, но след отражение от обекта. Когато двете половини на лъча пречат, върху филма се появява интерферентен модел, който съдържа цялата информация за оригиналния триизмерен лъч. Филмът след разработката не изглежда много обещаващ - върху него се вижда само мрежа от неразбираеми линии и къдрици. Но ако прекарате лазерен лъч през този филм, във въздуха се появява точно триизмерно копие на обекта, сякаш от магия.
Независимо от това, холографската невидимост създава много сериозни проблеми за изследователите. Едно от тях е създаването на холографска камера, способна да прави поне 30 снимки в секунда. Друго е съхранението и обработката на цялата тази информация. Накрая ще трябва да проектирате изображението върху екрана, така че да изглежда реалистично.
Невидимост чрез четвъртото измерение
Трябва да се спомене и друг, много по-хитър начин да станете невидим, както е очертан от Х. Г. Уелс в романа „Невидимият човек“. Този метод включва използване на възможностите на четвъртото измерение. (По-късно в тази книга ще говоря повече за възможното съществуване на по-високи измерения.) Може ли човек да напусне нашата триизмерна вселена и да се задържи над нея в четвъртото измерение, наблюдавайки какво се случва отстрани? Подобно на триизмерна пеперуда, прелитаща върху двуизмерен лист хартия, такъв човек би бил невидим за всеки обитател на Вселената отдолу. Единственият проблем е, че съществуването на по-високи измерения все още не е доказано. Освен това, едно хипотетично пътуване в едно от тези измерения би изисквало много повече енергия, отколкото имаме в момента при съвременното ни състояние. Ако говорим за реални начини за постигане на невидимост, тогава този метод очевидно е далеч отвъд настоящите ни познания и възможности.
Предвид огромния напредък, вече постигнат по пътя към невидимостта, мисля, че можем спокойно да го класифицираме като невъзможност от I клас. Невидимостта от един или друг вид може да стане нещо обичайно в следващите няколко десетилетия, поне до края на века.