Filmā Star Trek IV: Voyage Home, uzņēmuma apkalpe notver Klingonas kaujas kreiseri. Atšķirībā no federācijas zvaigžņu flotes kuģiem, Klingonas impērijas kuģi ir aprīkoti ar slepenu "apsekošanas ierīci", kas var padarīt tos neredzamus acij un radaram. Šī ierīce ļauj Klingonas kuģiem palikt nepamanītiem pie Federācijas kuģu astes un streikot nesodīti. Pateicoties aizsegšanas ierīcei, Klingonas impērijai ir stratēģiskas priekšrocības salīdzinājumā ar Planētu federāciju.
Vai šāda ierīce faktiski ir iespējama? Neredzamība jau sen ir kļuvusi par vienu no parastajiem zinātniskās fantastikas un fantāzijas darbu brīnumiem - no “Neredzamā cilvēka” līdz Harija Potera maģiskajam neredzamības apmetnim vai gredzenam no “Gredzenu pavēlnieka”. Neskatoties uz to, vismaz simts gadus fiziķi vienbalsīgi ir noliedzuši iespēju izveidot neredzamības apmetņus un viennozīmīgi paziņojuši, ka tas nav iespējams: apmetņi, pēc viņu domām, pārkāpj optikas likumus un nepiekrīt nevienai no zināmajām matērijas īpašībām.
Bet šodien neiespējamais var kļūt iespējams. Jaunumi "metamateriālu" jomā liek ievērojami pārskatīt optikas mācību grāmatas. Šādu materiālu laboratorijas paraugi, kas izveidoti laboratorijā, rada lielu interesi plašsaziņas līdzekļiem, rūpniekiem un militārpersonām; visus interesē, kā padarīt redzamo neredzamo.
Neredzamība vēsturē
Neredzamība, iespējams, ir viens no senākajiem senās mitoloģijas jēdzieniem. Kopš laika sākuma cilvēks, atstāts vienatnē nakts biedējošajā klusumā, sajuta neredzamo būtņu klātbūtni un baidījās no tām. Visapkārt viņam tumsā lūrēja mirušo gari - to cilvēku dvēseles, kas bija devušies pirms viņa. Grieķijas varonim Perseus, bruņotam ar neredzamu ķiveri, izdevās nogalināt ļauno gorgonu Medūzu. Visu laiku ģenerāļi sapņoja par aizsegšanas ierīci, kas ļautu viņiem kļūt neredzamiem ienaidniekam. Izmantojot neredzamību, cilvēks varēja viegli iekļūt ienaidnieka aizsardzības līnijā un pārsteigt viņu. Noziedznieki varēja izmantot neredzamību, lai izdarītu drosmīgas laupīšanas.
Platona ētikas un morāles teorijā galveno lomu spēlēja neredzamība. Savā filozofiskajā darbā "Valsts" Platons mums pastāstīja mītu par Giga gredzenu. Šajā mītā nabadzīgais, bet godīgais Lidijas gans Gigus ieiet slepenā alā un atrod tur kapu; viņš redz līķa pirkstā zelta gredzenu. Giga turklāt atklāj, ka gredzenam ir maģiskas spējas un tas var padarīt to neredzamu. Nabaga gans ir burtiski piedzēries ar spēku, ko viņam piešķīris gredzens. Veicis ceļu karaliskajā pilī, Gigus pavedina karalieni ar gredzenu, tad ar viņas palīdzību viņš nogalina karali un kļūst par nākamo Lidijas karali.
Morāle, ko Platons secināja no šī stāsta, ir tāda, ka neviens cilvēks nespēj pretoties kārdinājumam uzņemties kāda cita cilvēku un nesodīti nogalināt. Cilvēki ir vāji, un morāle ir sociāla parādība, kas jāievieš un jāatbalsta no malas. Sabiedrībā cilvēks var ievērot morāles standartus, lai izskatītos pieklājīgi un godīgi un saglabātu savu reputāciju, bet, ja jūs viņam piešķirat iespēju kļūt neredzamam, viņš nespēs pretoties un noteikti izmantos savu jauno spēku. (Daži uzskata, ka šī morālā līdzība iedvesmoja JRR Tolkiena “Gredzenu pavēlnieka” triloģiju; arī gredzens, kas tā īpašnieku padara neredzamu, ir arī ļaunuma avots.)
Reklāmas video:
Zinātniskajā fantastikā neredzamība ir viens no visizplatītākajiem sižetiem. 30. gadu komiksu sērijā. "Flash Gordon" Flash kļūst neredzams, lai paslēptos no nelietīgā Ming the Ruthless šaušanas. Romānos un filmās par Hariju Poteru galvenais varonis, uzvilcis burvju apmetni, var nepamanīti klīst apkārt Cūkkārpas pilij.
H. G. Wells klasiskajā romānā The Invisible Man konkrētā formā ir iemiesojis aptuveni tādas pašas idejas. Šajā romānā medicīnas students nejauši atklāj ceturtās dimensijas iespējas un kļūst neredzams. Diemžēl viņš izmanto iegūtās fantastiskās iespējas personiska labuma gūšanai, izdara virkni sīku noziegumu un galu galā mirst izmisīgā mēģinājumā aizbēgt no policijas.
Maksvela vienādojumi un gaismas noslēpums
Fizikāli diezgan skaidru izpratni par optikas likumiem ir ieguvuši salīdzinoši nesen, pateicoties skotu Džeimsa ierēdņa Maksvela, kurš ir viens no fizikas milžiem 19. gadsimtā, darbam. Savā ziņā Maksvels bija pilnīgs pretstats Faraday. Ja Faraday bija lieliska eksperimenta izjūta, bet viņam nebija formālās izglītības, tad viņa mūsdienu Maksvels bija augstākās matemātikas maģistrs. Viņš pabeidza matemātiskās fizikas apmācību ar apbalvojumiem Kembridžā, kur Īzaks Ņūtons strādāja divus gadsimtus pirms viņa.
Ņūtons izgudroja diferenciālo aprēķinu - tas diferenciālvienādojumu valodā apraksta, kā objekti nepārtraukti iziet bezgalīgi mazās laika un telpas izmaiņas. Okeāna viļņu, šķidrumu, gāzu un lielgabalu kustības var aprakstīt diferenciālvienādojumos. Maksvels sāka strādāt, domājot par skaidru mērķi: izteikt Faraday revolucionāros atklājumus un viņa fiziskos laukus, izmantojot precīzus diferenciālvienādojumus.
Maksvels sāka ar Faraday apgalvojumu, ka elektriskie lauki var pārvērsties magnētiskos un otrādi. Viņš fotografēja Faraday uzzīmētos fiziskos laukus un precīzi aprakstīja diferenciālvienādojumu valodu. Rezultātā tika iegūta viena no mūsdienu zinātnes nozīmīgākajām vienādojumu sistēmām. Šī ir astoņu diferenciālvienādojumu sistēma, kas ir diezgan rāpojoša. Ikvienam pasaules fizikam un inženierim vajadzēja svīst pār viņiem vienā laikā, apgūstot elektromagnētismu institūtā.
Tad Maksvels sev uzdeva liktenīgu jautājumu: ja magnētiskais lauks var pārvērsties elektriskajā laukā un otrādi, tad kas notiek, ja tie nepārtraukti mainās no viena uz otru nebeidzamā pārvērtību virknē? Maksvels atklāja, ka šāds elektromagnētiskais lauks ģenerēs okeānam līdzīgu vilni. Viņš aprēķināja šādu viļņu kustības ātrumu un, pēc savas izbrīnas, secināja, ka tas ir vienāds ar gaismas ātrumu! 1864. gadā, atklājis šo faktu, viņš pravietiski rakstīja: "Šis ātrums ir tik tuvu gaismas ātrumam, ka mums, šķiet, ir viss iemesls secināt, ka pati gaisma … ir elektromagnētiski traucējumi."
Šis atklājums, iespējams, kļuva par vienu no lielākajiem cilvēces vēsturē - beidzot tika atklāts gaismas noslēpums! Maksvels pēkšņi saprata, ka visu - gan vasaras saullēkta mirdzumu, gan nolecošās saules niknajiem stariem, gan apžilbinošajām varavīksnes krāsām un zvaigznēm nakts debesīs - var aprakstīt, izmantojot viļņus, kurus viņš pagadās attēlo uz papīra. Mūsdienās mēs saprotam, ka viss elektromagnētiskais spektrs: radara signāli, mikroviļņu starojums un televīzijas viļņi, infrasarkanais, redzamais un ultravioletais gaisma, rentgenstari un gamma stari ir nekas cits kā Maksvela ūdens; un tie, savukārt, pārstāv Faraday fizisko lauku vibrācijas.
Runājot par Maksvela vienādojumu nozīmīgumu, Einšteins rakstīja, ka šī ir "visdziļākā un auglīgākā lieta, ko fizika ir pieredzējusi kopš Ņūtona laikiem".
(Traģiski, ka Maksvels, viens no lielākajiem 19. gadsimta fiziķiem, nomira pietiekami jauns, 48 gadu vecumā, no kuņģa vēža - iespējams, tās pašas slimības, kas tajā vecumā nogalināja viņa māti. Ja viņš dzīvoja ilgāk, iespējams, ka viņam tas izdevās atklātu, ka viņa iegūtie vienādojumi pieļauj telpas un laika kropļojumus, un tas tieši novestu pie Einšteina relativitātes teorijas. Ideja par to, ka, ja Maksvels būtu nodzīvojis ilgāk, un relativitātes teorija varētu būt parādījies Amerikas pilsoņu kara laikā, satricina kodolu.)
Maksvela gaismas teorija un matērijas struktūras atomu teorija sniedz optikai un neredzamībai vienkāršu skaidrojumu. Cietā veidā atomi ir cieši iesaiņoti, savukārt šķidrumā vai gāzē attālums starp molekulām ir daudz lielāks. Lielākā daļa cietvielu ir necaurspīdīgas, jo gaismas stari nevar iziet cauri blīvam atomu kopumam, kas darbojas kā ķieģeļu siena. Daudzi šķidrumi un gāzes, no otras puses, ir caurspīdīgi, jo gaismai ir vieglāk iziet starp retiem atomiem, kuru attālums starp tiem ir lielāks par redzamās gaismas viļņa garumu. Piemēram, ūdens, alkohols, amonjaks, acetons, ūdeņraža peroksīds, benzīns un citi šķidrumi ir caurspīdīgi, tāpat kā caurspīdīgi un tādas gāzes kā skābeklis, ūdeņradis, slāpeklis, oglekļa dioksīds, metāns utt.
Šim noteikumam ir vairāki svarīgi izņēmumi. Daudzi kristāli ir gan stingri, gan caurspīdīgi. Bet kristāla atomi atrodas regulāras telpiskas režģa vietās un veido regulāras rindas ar vienādiem intervāliem starp tām. Tā rezultātā kristāla režģī vienmēr ir daudz ceļu, pa kuriem caur to var iziet gaismas stars. Tāpēc, kaut arī atomi kristālā ir iesaiņoti ne mazāk blīvi nekā jebkurā citā cietā stāvoklī, gaisma tomēr spēj tajā iekļūt.
Noteiktos apstākļos pat ciets objekts ar nejauši izvietotiem atomiem var kļūt caurspīdīgs. Dažiem materiāliem šo efektu var sasniegt, sildot priekšmetu augstā temperatūrā un pēc tam to ātri atdzesējot. Piemēram, stikls ir cieta viela, kurai, pateicoties nejaušam atomu izvietojumam, piemīt daudzas šķidruma īpašības. Arī dažas konfektes šādā veidā var padarīt caurspīdīgas.
Acīmredzot neredzamības īpašība rodas atomu līmenī saskaņā ar Maksvela vienādojumiem, un tāpēc to ir ārkārtīgi grūti, ja pat neiespējami, reproducēt, izmantojot parastās metodes. Lai Harijs Poters būtu neredzams, viņš būs jālikvidē, jāvāra un jāpārvērš tvaikos, jāizkristalizē, jāuzsilda un jāatdzesē - jāpiekrīt, jebkura no šīm darbībām būtu ļoti grūta pat burvim.
Militāristi, nespēdami būvēt neredzamus lidaparātus, mēģināja izdarīt vienkāršāku lietu: viņi izveidoja stele tehnoloģiju, kas padara lidaparātus neredzamus radariem. Stele tehnoloģija, kuras pamatā ir Maksvela vienādojumi, veic virkni triku. Stele strūklas iznīcinātāju ir viegli redzēt ar neapbruņotu aci, bet ienaidnieka radara ekrānā tā attēls ir aptuveni liela putna izmērs. (Faktiski stele tehnoloģija ir vairāku pilnīgi dažādu triku kombinācija. Kad vien iespējams, cīnītāja konstrukcijas materiālus aizstāj ar radaram caurspīdīgiem materiāliem: tērauda vietā tiek izmantotas dažādas plastmasas un sveķi; mainās fizelāžas leņķi; motora sprauslu dizains utt. visus šos trikus var padarīt ienaidnieka radara staru triecienu lidmašīnā,izkliedēt visos virzienos un neatgriezties saņēmējā ierīcē. Bet pat ar šo tehnoloģiju cīnītājs nekļūst pilnīgi neredzams; tas tikai novirza un izkliedē radara staru, cik vien tas tehniski iespējams.)
Metamateriāli un neredzamība
Iespējams, ka daudzsološākais no pēdējiem sasniegumiem neredzamības jomā ir jauns eksotisks materiāls, kas pazīstams kā “metamateriāls”; iespējams, ka kādreiz viņš objektus padarīs faktiski neredzamus. Tas ir smieklīgi, bet reiz arī metamateriālu esamību uzskatīja par neiespējamu, jo tie pārkāpj optikas likumus. Bet 2006. gadā pētnieki no Djūka universitātes Durham, Ziemeļkarolīnā un Imperial College London veiksmīgi atspēkoja šo parasto gudrību un, izmantojot metamateriālus, padarīja objektu neredzamu mikroviļņu starojumam. Šajā ceļā joprojām ir pietiekami daudz šķēršļu, taču pirmo reizi vēsturē cilvēcei ir tāda tehnika, kas ļauj padarīt parastos objektus neredzamus. (Šo pētījumu finansēja DARPA, Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra.)
Nātans Myhrvold, bijušais Microsoft galvenais tehnologs, apgalvo, ka metamateriālu revolucionārais spēks "pilnībā mainīs to, kā mēs tuvojamies optikai un gandrīz visiem elektronikas aspektiem … Daži no metamateriāliem ir spējīgi uz varoņdarbiem, kas pirms desmitiem gadu būtu šķituši kā brīnumi".
Kas ir metamateriāli? Tās ir vielas ar optiskām īpašībām, kas dabā neeksistē. Kad tiek izveidoti metamateriāli, matērijā tiek iestrādāti sīki implanti, liekot elektromagnētiskajiem viļņiem iet nestandarta ceļus. Hercoga universitātē zinātnieki ir ievietojuši daudzas sīkas elektriskās ķēdes vara lentēs, kas ievietotas plakanos koncentriskos apļos (tas viss ir mazliet kā sildvirsma). Rezultāts ir sarežģīta struktūra, kas izgatavota no keramikas, teflona, kompozītmateriāliem un metāla sastāvdaļām. Mazi vara implanti ļauj novirzīt mikroviļņu starojumu un virzīt to pa iepriekš noteiktu ceļu. Iedomājieties upi, kas plūst ap laukakmeni. Ūdens ļoti ātri griežas ap akmenitāpēc tā klātbūtne lejup pa straumi nekādi neietekmē, un to nav iespējams atklāt. Tāpat metamateriāli spēj nepārtraukti mainīt mikroviļņu ceļu, lai tie plūst apkārt, teiksim, noteiktam cilindram un tādējādi visu, kas atrodas šajā cilindrā, padarītu radioviļņiem neredzamu. Ja metamateriāls var novērst arī visas pārdomas un ēnas, tad priekšmets kļūs pilnīgi neredzams šai starojuma formai.
Zinātnieki šo principu ir veiksmīgi nodemonstrējuši ar ierīci, kas sastāv no desmit stikla šķiedras gredzeniem, kas pārklāti ar vara elementiem. Vara gredzens ierīces iekšpusē bija gandrīz neredzams mikroviļņu starojumam; tas tikai met vāju ēnu.
Metamateriālu neparastās īpašības ir balstītas uz to spēju kontrolēt parametru, kas pazīstams kā "refrakcijas indekss". Refrakcija - gaismas īpašība mainīt izplatīšanās virzienu, izejot cauri caurspīdīgam materiālam. Ja jūs ieliekat roku ūdenī vai vienkārši paskatīsities caur brilles objektīviem, jūs pamanīsit, ka ūdens un stikls novirza un izkropļo parasto gaismas staru ceļu.
Gaismas stara novirzes stiklā vai ūdenī iemesls ir tas, ka gaisma palēninās, nonākot blīvā caurspīdīgā materiālā. Gaismas ātrums ideālā vakuumā ir nemainīgs, bet stiklā vai ūdenī gaisma "izspiež" caur triljonu atomu kopu un tādējādi palēninās. (Gaismas ātruma vakuumā un gaismas ātruma attiecību vidē sauc par refrakcijas indeksu. Tā kā gaisma jebkurā vidē palēninās, refrakcijas indekss vienmēr ir lielāks par vienu.) Piemēram, vakuuma refrakcijas koeficients ir 1,00; gaisam -1 0003; stiklam-1,5; dimantam-2,4. Kā likums, jo blīvāka ir vide, jo vairāk tā novirza gaismas staru un, attiecīgi, jo lielāks ir refrakcijas koeficients.
Mirāžas var kalpot kā ļoti skaidrs parādījums, kas saistīts ar refrakciju. Ja karstā dienā, braucot pa šoseju, paskatās taisni uz horizontu, tad ceļš jums šķitīs vietām mirdzošs un radīs dzirkstošās ūdens virsmas ilūziju. Tuksnesī pie horizonta dažreiz var redzēt tālu pilsētu un kalnu kontūras. Tas notiek tāpēc, ka gaisam, kas uzsildīts virs ceļa gultnes vai tuksneša smiltīm, ir zemāks blīvums un attiecīgi zemāks refrakcijas koeficients nekā apkārtējam parastajam, vēsākajam gaisam; tāpēc gaismu no attāliem objektiem var refraktēt sakarsētā gaisa slānī un pēc tam iekļūt acī; tas rada ilūziju, ka jūs patiešām redzat tālu objektus.
Parasti refrakcijas koeficients ir nemainīga vērtība. Šaurs gaismas stars, iekļūstot stiklā, maina virzienu un pēc tam turpina virzīties taisnā līnijā. Bet uz brīdi pieņemsim, ka mēs spējam kontrolēt refrakcijas koeficientu tā, lai katrā stikla punktā tas noteiktā veidā varētu pastāvīgi mainīties, Gaisma, pārvietojoties tādā jaunā materiālā, varētu patvaļīgi mainīt virzienu; staru ceļš šajā vidē nozīmētu kā čūska.
Ja refrakcijas koeficientu bija iespējams kontrolēt metamateriālā, lai gaisma saliektos ap noteiktu objektu, tad šis objekts kļūtu neredzams. Lai iegūtu šādu efektu, refrakcijas indeksam metamateriālā jābūt negatīvam, taču jebkurā optikas mācību grāmatā teikts, ka tas nav iespējams, (Metamateriāli pirmo reizi teorētiski tika prognozēti padomju fiziķa Viktora Veselago darbā 1967. gadā. Tieši Veselago parādīja, ka šiem materiāliem jābūt tādām neparastām optiskajām īpašībām kā negatīvs refrakcijas koeficients un apgrieztais Doplera efekts. Metamateriāli šķiet tik dīvaini un pat absurdi, ka sākumā to praktiskā ieviešana tika uzskatīta par vienkārši neiespējamu. Tomēr dažos pēdējos gados laboratorijā joprojām tika iegūti metamateriāli, kas fiziķiem piespieda sākt pārrakstīt optikas mācību grāmatas.)
Pētniekus, kas nodarbojas ar meta materiāliem, žurnālisti pastāvīgi kaitina jautājumam: kad beidzot tirgū parādīsies neredzamības apmetņi? Atbildi var formulēt ļoti vienkārši: ne drīz.
Deivids Smits no Hercoga universitātes saka: “Žurnālisti zvana un lūdz vismaz termiņu. Cik mēnešos vai, teiksim, gados tas notiks. Viņi nospiež, nospiež un nospiež, un galu galā jūs nevarat to izturēt un teikt, ka varbūt piecpadsmit gadu laikā. Un tieši tur - avīzes virsraksts, vai ne? Piecpadsmit gadus pirms Harija Potera apmetņa. Tāpēc tagad viņš atsakās nosaukt nevienu datumu.
Harija Potera vai Star Trek faniem, iespējams, būs jāgaida. Lai arī reālais neredzamības apmetnis vairs nav pretrunā ar zināmajiem dabas likumiem - un lielākajai daļai fiziķu tam šobrīd piekrīt -, zinātniekiem joprojām ir daudz sarežģītu tehnisko šķēršļu, kas jāpārvar, pirms šo tehnoloģiju var paplašināt, lai darbotos ar redzamu gaismu, nevis tikai ar mikroviļņu krāsni. starojums.
Parasti metamateriālā iestrādāto iekšējo struktūru izmēriem jābūt mazākiem par starojuma viļņa garumu. Piemēram, mikroviļņu viļņa garums var būt 3 cm liels, tāpēc, ja mēs vēlamies, lai metamateriāls saliektu mikroviļņu ceļu, mums tajā jāievieto implanti, kas ir mazāki par 3 cm. Bet, lai objekts būtu neredzams zaļai gaismai (ar viļņa garumu 500 nm), metamateriālam vajadzētu būt iestrādātām struktūrām tikai aptuveni 50 nm garumā. Bet nanometri jau ir atomu mērogs, un, lai strādātu ar šādiem izmēriem, ir nepieciešama nanotehnoloģija. (Nanometrs ir viena miljarda metra. Viens nanometrs var saturēt apmēram piecus atomus.) Varbūt tā ir galvenā problēma, ar kuru mums nāksies saskarties, izveidojot patiesu neredzamības apmetni. Liekties pēc vēlēšanās, piemēram, čūska, gaismas staru ceļu,mums būtu jāpārveido atsevišķi atomi metamateriāla ietvaros.
Metamateriāli redzamai gaismai
Tā sacīkstes sākās.
Tūlīt pēc paziņojuma par pirmo metamateriālu saņemšanu laboratorijā šajā jomā sākās drudžainas aktivitātes. Ik pēc pāris mēnešiem mēs dzirdam par revolucionārām atziņām un pārsteidzošiem atklājumiem. Mērķis ir skaidrs: ar nanotehnoloģiju palīdzību izveidot metamateriālus, kas var saliekt ne tikai mikroviļņus, bet arī redzamo gaismu. Jau ir ierosinātas vairākas pieejas, un šķiet, ka visas no tām ir diezgan daudzsološas.
Viens no priekšlikumiem ir izmantot gatavas metodes, tas ir, aizņemties izmantotās mikroelektronikas rūpniecības tehnoloģijas metamateriālu ražošanai. Piemēram, datoru miniaturizācijas pamatā ir "fotolitogrāfijas" tehnoloģija; tas ir arī datoru revolūcijas dzinējspēks. Šī tehnoloģija ļauj inženieriem novietot simtiem miljonu sīku tranzistoru uz sīktēla izmēra silikona vafeles.
Datoru jauda divkāršojas ik pēc 18 mēnešiem (šo modeli sauc par Mūra likumu). Tas ir saistīts ar faktu, ka zinātnieki izmanto ultravioleto starojumu, lai "kodinātu" arvien vairāk un vairāk sīku komponentu uz silīcija mikroshēmām. Šī tehnoloģija ir ļoti līdzīga procesam, kura laikā modelis tiek uzvilkts uz krāsaina T-krekla. (Datoru inženieri sāk ar plānu substrātu, uz kura virspusē tiek uzlikti smalkāki dažādu materiālu slāņi. Tad substrāts tiek pārklāts ar plastmasas masku, kas darbojas kā veidne. Maskai iepriekš tiek uzklāts sarežģīts vadītāju, tranzistoru un datoru komponentu paraugs, kas veido shēmas shēmu. Sagatavojumu apstaro ar cietu UV gaismu., tas ir, pakļauts ultravioletajam starojumam ar ļoti īsu viļņa garumu;šis starojums it kā pārnes matricas modeli uz gaismas jutīgu substrātu. Tad sagatavi apstrādā ar īpašām gāzēm un skābēm, un matricas sarežģīto modeli kodina uz pamatnes tajās vietās, kur tā tika pakļauta ultravioletajam starojumam. Šī procesa rezultāts ir plāksne ar simtiem miljonu niecīgu ievilkumu, kas veido tranzistoru ķēdes.) Pašlaik vismazākās sastāvdaļas, kuras var izveidot, izmantojot aprakstīto procesu, ir aptuveni 30 nm (vai aptuveni 150 atomi). Šī procesa rezultāts ir plāksne ar simtiem miljonu niecīgu ievilkumu, kas veido tranzistoru ķēdes.) Pašlaik mazākie komponenti, kurus var izveidot, izmantojot aprakstīto procesu, ir aptuveni 30 nm (vai aptuveni 150 atomi). Šī procesa rezultāts ir plāksne ar simtiem miljonu niecīgu ievilkumu, kas veido tranzistoru ķēdes.) Pašlaik mazākie komponenti, kurus var izveidot, izmantojot aprakstīto procesu, ir aptuveni 30 nm (vai aptuveni 150 atomi).
Ievērojams pavērsiens ceļā uz neredzamību bija nesens zinātnieku grupas no Vācijas un ASV Enerģētikas departamenta eksperiments, kurā silīcija substrāta kodināšanas process tika izmantots, lai pirmo metamateriālu, kas spēj darboties redzamā gaismas diapazonā. 2007. gada sākumā zinātnieki paziņoja, ka viņu izveidotā metamateriāla ietekmē sarkano gaismu. "Neiespējami" tika īstenoti pārsteidzoši īsā laikā.
Fizikam Costas Sukulim no Eimsa laboratorijas un Aiovas Valsts universitātes kopā ar Stefanu Lindenu, Martinu Vegeneru un Gunnaru Dollingu no Karlsrūes universitātes Vācijā izdevās izveidot metamateriālu ar refrakcijas koeficientu -0,6 sarkanai gaismai ar viļņa garumu 780 nm. (Pirms tam pasaules rekords par radiācijas viļņa garumu, kas tika "iesaiņots" ar metamateriālu, bija 1400 nm; tas vairs nav redzams, bet gan infrasarkanā gaisma.)
Sākumā zinātnieki paņēma stikla loksni un uz tās uzklāja plānu sudraba kārtu, pēc tam magnija fluorīda slāni, tad atkal sudraba kārtu; tādējādi tika iegūta "sviestmaize" ar fluoru, kuras biezums bija tikai 100 nm. Pēc tam zinātnieki izmantoja standarta kodināšanas tehnoloģiju, lai šajā sviestmaizē izveidotu daudzus sīkus kvadrātveida caurumus (tikai 100 nm platus, daudz mazāk par sarkanās gaismas viļņa garumu); rezultāts ir režģa struktūra, kas atgādina zvejas tīklu. Tad viņi caur iegūto materiālu izlaida sarkanās gaismas staru un izmērīja refrakcijas koeficientu, kas bija -0,6.
Autori paredz, ka viņu izgudrotā tehnoloģija tiks plaši izmantota. Metamateriāli “kādreiz var radīt tāda veida plakanus superēlus, kas darbojas redzamajā spektrā,” saka Dr. Sukulis. "Šis objektīvs ļaus jums iegūt augstāku izšķirtspēju nekā tradicionālās tehnoloģijas un atšķirt detaļas, kas ir ievērojami mazākas par gaismas viļņa garumu." Acīmredzot viens no pirmajiem “superlensu” pielietojumiem būtu fotografēt mikroskopiskus objektus ar nepieredzētu skaidrību; mēs varam runāt par fotografēšanu dzīvā cilvēka šūnā vai par augļa slimību diagnosticēšanu dzemdē. Ideālā gadījumā būs iespējams nofotografēt DNS molekulas komponentus tieši, neizmantojot neapstrādātas rentgenstaru kristalogrāfijas metodes.
Līdz šim zinātnieki ir spējuši pierādīt negatīvu refrakcijas koeficientu tikai sarkanai gaismai. Bet šī metode ir jāattīsta, un nākamais solis ir izveidot metamateriālu, kas varētu pilnībā apņemt sarkano staru ap objektu, padarot to neredzamu sarkanā gaismā.
Turpmāka attīstība gaidāma arī "fotonisko kristālu" jomā. Fotonisko kristālu tehnoloģijas mērķis ir radīt mikroshēmu, kas informācijas apstrādei patērē gaismu, nevis elektrību. Ideja ir izmantot nanotehnoloģiju sīku komponentu kodināšanai uz pamatnes, lai refrakcijas koeficients mainītos ar katru komponentu. Tranzistoriem, kuros darbojas gaismas, ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar elektroniskajiem. Piemēram, fotoniskajos kristālos ir daudz mazāk siltuma zudumu. (Sarežģītas silīcija mikroshēmas rada pietiekami daudz siltuma, lai apceptu olu. Šīs mikroshēmas ir nepārtraukti jāatdzesē, lai tās neizturētu, kas ir ļoti dārgi.)
Nav pārsteidzoši, ka fotonisko kristālu iegūšanas tehnoloģijai vajadzētu būt ideālai meta materiālu izmantošanai, jo abas tehnoloģijas paredz manipulēt ar gaismas refrakcijas koeficientu nanoskalā.
Neredzamība caur plazmoniku
Negribot konkurentus pārspēt, cita fiziķu grupa 2007. gada vidū paziņoja par metamateriāla izveidi, kas spēj pagriezt redzamo gaismu, pamatojoties uz pavisam citu tehnoloģiju, ko sauc par plazmoniku. Fiziķi Henri Lesek, Jennifer Dionne un Harijs Atwater no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta paziņoja par metamateriāla izveidi, kam ir negatīvs refrakcijas indekss redzamā spektra sarežģītākajam zili zaļajam reģionam.
Plazmonikas mērķis ir šādā veidā "izspiest" gaismu, lai nanomērogā varētu manipulēt ar objektiem, it īpaši uz metāla virsmām. Metālu elektriskās vadītspējas iemesls ir fakts, ka metālu atomos esošie elektroni ir vāji saistīti ar kodolu un var brīvi pārvietoties pa metāla režģa virsmu. Elektrība, kas plūst caur vadiem jūsu mājās, ir vienmērīga šo brīvi saistīto elektronu plūsma pa metāla virsmu. Bet noteiktos apstākļos, kad gaismas stars sasniedz metāla virsmu, elektroni var vibrēt vienlaicīgi ar gaismu. Šajā gadījumā uz metāla virsmas parādās viļņiem līdzīgas elektronu kustības (šos viļņus sauc par plazmoniem) laikā ar elektromagnētiskā lauka svārstībām virs metāla. Vēl svarīgāk ir tas, ka šos plazmonus var "saspiest", lai tiem būtu tāda pati frekvence kākā oriģinālais gaismas stars (kas nozīmē, ka tie nesīs tādu pašu informāciju), bet daudz īsāks viļņa garums. Principā šos saspiestos viļņus pēc tam var saspiest nanvados. Tāpat kā fotonisko kristālu gadījumā, arī plazmonikas galvenais mērķis ir radīt datoru mikroshēmas, kas darbina gaismu, nevis elektrību.
Grupa Kalifornijas tehnikā izveidoja savu metamateriālu ar diviem sudraba slāņiem un silīcija un slāpekļa izolācijas slāni (tikai 50 nm biezu) starp tiem. Šis slānis darbojas kā "viļņvads", kas spēj virzīt plazmas viļņus vēlamajā virzienā. Lāzera stars ieiet ierīcē caur metamateriāla griezumu; tas iziet cauri viļņvadam un pēc tam iziet caur otro spraugu. Ja analizējat leņķus, kādos lāzera stars ir saliekts, kad iet caur metamateriālu, varat noteikt, ka materiālam ir negatīvs refrakcijas koeficients gaismai ar noteiktu viļņa garumu.
Metamateriālu nākotne
Nākotnē metamateriālu izpēte tiks paātrināta tā vienkāršā iemesla dēļ, ka jau tagad ir liela interese par tranzistoru izveidi, kas elektrības vietā strādā pie gaismas stara. Tāpēc var pieņemt, ka pētījumi neredzamības jomā spēs "vadīt braucienu", ti, izmantot jau notiekošo pētījumu rezultātus, lai izveidotu silikona mikroshēmas aizstājēju, izmantojot fotoniskos kristālus un plazmoniku. Jau šodien simtiem miljonu dolāru tiek ieguldīti tādas tehnoloģijas attīstībā, kas paredzēta silīcija mikroshēmu aizstāšanai, un ieguvums būs arī pētījumiem metamateriālu jomā.
Pašlaik jauni nozīmīgi atklājumi šajā jomā tiek veikti ik pēc dažiem mēnešiem, tāpēc nav pārsteidzoši, ka daži fiziķi sagaida, ka pirmie reāla neredzamības vairoga paraugi parādīsies laboratorijā dažu desmitgažu laikā. Tātad zinātnieki ir pārliecināti, ka tuvāko gadu laikā viņi spēs radīt metamateriālus, kas objektu var padarīt pilnīgi neredzamu vismaz divās dimensijās jebkuras konkrētas frekvences redzamajai gaismai. Lai sasniegtu šo efektu, sīkos nanoimplantus metamateriālā būs jāievieto nevis parastajās rindās, bet gan sarežģītā shēmā, lai rezultātā gaisma vienmērīgi lokās ap slēpto priekšmetu.
Tālāk zinātniekiem būs jāizgudro un jāizveido metamateriāli, kas var saliekt gaismu trīs dimensijās, ne tikai uz plakanām divdimensionālām virsmām. Fotolitogrāfija ir pārbaudīta tehnoloģija plakanu silīcija shēmu ražošanai; trīsdimensiju metamateriālu izveidošanai būs nepieciešams vismaz sarežģīts vairāku plakanu diagrammu izkārtojums.
Pēc tam zinātniekiem būs jāatrisina tāda metamateriālu radīšanas problēma, kas liek gaismai nevis vienu frekvenci, bet vairākas - vai, teiksim, frekvenču joslas. Tas, bez šaubām, ir visgrūtākais uzdevums, jo visi līdz šim izstrādātie niecīgie implanti novirza tikai vienas precīzas frekvences gaismu. Iespējams, ka zinātniekiem būs jārisina daudzslāņu metamateriāli, kur katrs slānis darbosies vienā noteiktā frekvencē. Pagaidām nav skaidrs, kāds būs šīs problēmas risinājums.
Bet neredzamības vairogs, pat pēc tam, kad tas beidzot ir izveidots laboratorijā, var nebūt tāds, kādu mēs vēlamies, visticamāk, tā būs smaga un smagnēja ierīce. Harija Potera apmetnis tika sašūts no plāna, mīksta auduma un padarīja neredzamu ikvienu, kurš sevi tajā ietina. Bet, lai šāda iedarbība būtu iespējama, refrakcijas indeksam audu iekšpusē pastāvīgi jāmainās sarežģītā veidā atbilstoši audu vibrācijām un personas kustībām. Tas ir nepraktiski. Visticamāk, neredzamības apmetnis, vismaz sākotnēji, būs ciets metamateriāla cilindrs. Šajā gadījumā refrakcijas indeksu cilindra iekšpusē var padarīt nemainīgu. (Uzlabotākos modeļos laika gaitā var parādīties elastīgas metamateriālas, kas var saliekties un vienlaikus saglabāt gaismu sevī uz pareizā ceļa.kurš atradīsies “apmetnī”, iegūs zināmu pārvietošanās brīvību.)
Neredzamības vairogam ir viens trūkums, uz kuru jau vairākkārt tika norādīts: tas, kurš atrodas iekšpusē, nevar skatīties ārā, nekļūstot redzams. Iedomājieties Hariju Poteru tikai ar redzamām acīm; kamēr tie, šķiet, peld pa gaisu atbilstošā augstumā. Jebkuri acu caurumi neredzamības apmetnī būtu skaidri redzami no ārpuses. Ja jūs padarīsit Hariju Poteru pilnīgi neredzamu, tad viņam nāksies akli un pilnīgā tumsā sēdēt zem sava apmetņa. (Viens no iespējamiem šīs problēmas risinājumiem būtu divas mazas brilles acu priekšā. Šīs brilles darbosies kā "staru sadalītāji"; tās izspiež un novirza nelielu gaismas daļu, kas uz tām krīt acīs. Tomēr lielākā daļa gaismas, kas nokrīt uz apmetņa, bija apietu, padarot cilvēku neredzamu iekšpusē, bet daži, ļoti mazi,daļa no tā atdalītos un nonāk acīs.)
Neapšaubāmi, šķēršļi neredzamībai ir ļoti nopietni, taču zinātnieki un inženieri ir optimistiski noskaņoti un uzskata, ka dažu veidu neredzamības vairogu var izveidot dažu nākamo gadu desmitu laikā.
Neredzamība un nanotehnoloģijas
Kā es jau minēju, neredzamības atslēga var būt nanotehnoloģiju attīstība, t.i. spēja manipulēt ar atomu lielumiem (apmēram viena metra viena ceturtdaļa).
Nanotehnoloģiju dzimšanas brīdi sauc par slaveno lekciju ar ironisko nosaukumu "Apakšā ir pilna kosmosa", kuru Nobela prēmijas laureāts Ričards Feinmans sniedza pirms Amerikas Fizisko biedrības 1959. gadā. Šajā lekcijā viņš runāja par to, kā varētu izskatīties mazākās mašīnas. mūs pēc fizikas likumiem. Feinmans saprata, ka mašīnu lielums kļūs mazāks un mazāks, līdz tie tuvosies atoma lielumam, un tad pašus atomus varētu izmantot jaunu mašīnu radīšanai. Viņš secināja, ka vienkāršākās atomu mašīnas, piemēram, bloks, svira vai ritenis, nav pretrunā ar fizikas likumiem, taču to izgatavošana būs ārkārtīgi sarežģīta.
Nanotehnoloģija daudzus gadus ir aizmirsusies aizmirst tikai tāpēc, ka tā laika tehnoloģija neļāva manipulēt ar atsevišķiem atomiem. Bet 1981. gadā notika izrāviens - fiziķi Gerds Binnigs un Heinrihs Rohrers no IBM laboratorijas Cīrihē izgudroja skenējošo tunelēšanas mikroskopu, kas vēlāk viņiem ieguva Nobela prēmiju fizikā.
Zinātnieki pēkšņi spēja iegūt pārsteidzošus "attēlus" no atsevišķiem atomiem, kas apvienoti struktūrās - tieši tādi paši, kā parasti attēloti grāmatās par ķīmiju; vienā reizē atomu teorijas kritiķi to uzskatīja par neiespējamu. Tagad bija iespējams iegūt lieliskas atomu fotogrāfijas, kas sakārtotas rindās pareiza kristāla vai metāla struktūrā. Ķīmiskās formulas, ar kurām zinātnieki mēģināja atspoguļot sarežģīto molekulas struktūru, tagad varēja redzēt ar neapbruņotu aci. Turklāt skenējošais tunelēšanas mikroskops ļāva manipulēt ar atsevišķiem atomiem. Atklātāji izdalīja burtus IBM no atsevišķiem atomiem, kas zinātniskajā pasaulē izraisīja īstu sensāciju. Zinātnieki vairs nav akli atsevišķu atomu pasaulē; viņi varēja redzēt atomus un strādāt ar tiem.
Skenējošā tunelēšanas mikroskopa darbības princips ir maldinoši vienkāršs. Tāpat kā gramofons ar adatu skenē disku, šis mikroskops lēnām iziet asu zondi virs pētāmās vielas. (Šīs zondes gals ir tik ass, ka tas beidzas ar vienu atomu.) Zondei ir vājš elektriskais lādiņš; elektriskā strāva plūst no tā gala caur pētāmo materiālu uz vadošo virsmu zem tā. Ja zonde šķērso katru atsevišķo atomu, strāva nedaudz mainās; strāvas izmaiņas tiek rūpīgi reģistrētas. Strāvas kāpums un kritums, kad adata ļoti precīzi šķērso atomu un sīki atspoguļo tā kontūru. Apstrādājot un grafiskā formā parādot datus par pašreizējām svārstībām lielam skaitam caurlaidību, jūs varat iegūt skaistu attēlu no atsevišķiem atomiem, kas veido telpisku režģi.
(Skenējošs tunelēšanas mikroskops var pastāvēt, pateicoties savdabīgam kvantu fizikas likumam. Parasti elektroniem nav pietiekami daudz enerģijas, lai no zondes gala nokļūtu substrātā caur matērijas slāni. Bet, saskaņā ar nenoteiktības principu, pastāv maza iespēja, ka elektroni "tunelī", t.i. Tas ir, tie iekļūst barjerā, kaut arī tas ir pretrunā ar Ņūtona teoriju. Tieši tāpēc strāva, kas iet caur materiālu, ir tik jutīga pret smalkajiem kvantu efektiem tajā. Vēlāk es sīkāk pakavēšos pie kvantu teorijas sekām.)
Turklāt mikroskopa zonde ir pietiekami jutīga, lai pārvietotu atsevišķus atomus un no tiem izveidotu vienkāršas "mašīnas". Pašlaik šī tehnoloģija ir tik attīstīta, ka datora ekrānā var redzēt atomu grupu un, vienkārši pārvietojot kursoru, patvaļīgi pārvietot atsevišķus atomus. Ar desmitiem atomu var manipulēt tikpat viegli kā ar Lego ķieģeļiem. Jūs varat ne tikai izvietot atomu burtus, bet arī izveidot rotaļlietas, piemēram, piemēram, abakus, kur šarnīri tiek salikti no atsevišķiem atomiem. Šim nolūkam atomi ir izkārtoti uz virsmas, kas aprīkota ar vertikālām rievām. Sfēriskās fullēnas ("futbola bumbiņas", kas sastāv no atsevišķiem oglekļa atomiem) ievieto rievās. Šīs oglekļa bumbiņas kalpo kā atomu kontu kauli, virzoties augšup un lejup pa rievām.
Jūs varat arī sagriezt atomu ierīces ar elektronu stariem. Piemēram, Kornela universitātes zinātnieki no kristāliska silīcija izcēla pasaulē mazāko ģitāru, kuras izmērs ir 20 reizes mazāks par cilvēka matu biezumu. Ģitārai ir sešas stīgas, no kurām katra ir simts atomu bieza, kuras var vilkt ar atomu spēka mikroskopu. (Ģitāra patiešām atskaņos mūziku, bet tās radītās frekvences tālu pārsniedz cilvēka auss dzirdamību.)
Mūsdienās gandrīz visi "nanomašīnas" ir tikai rotaļlietas. Vēl ir jāizveido sarežģītākas mašīnas ar pārnesumiem un gultņiem. Bet daudzi inženieri ir pārliecināti, ka īstu atomu mašīnu laiks ir pagājis. (Dabā šādas mašīnas pastāv. Vienšūnu organismi sīku matiņu kustības dēļ var brīvi peldēt ūdenī. Bet, ja rūpīgi apsverat matu un šūnas savienojumu, kļūst skaidrs, ka tieši atommašīna ļauj matiem patvaļīgi pārvietoties visos virzienos. Tāpēc viens no nanotehnoloģiju attīstības veidiem ir dabas kopēšana, kas pirms miljardiem gadu apguva atomu mašīnu ražošanu.)
Hologrammas un neredzamība
Vēl viens veids, kā padarīt cilvēku nedaudz neredzamu, ir nofotografēt skatu aiz viņiem un tad projicēt šo attēlu tieši uz personas apģērbu vai kādu ekrānu priekšā. Ja paskatās no priekšpuses, šķitīs, ka cilvēks ir kļuvis caurspīdīgs un gaisma kaut kā iziet cauri viņa ķermenim.
Šo procesu, kas pazīstams kā “optiskā maskēšana”, ir nopietni veicis Naoki Kawakami no Tokijas Universitātes Tači laboratorijas. Viņš saka: "Šo tehnoloģiju varētu izmantot, lai palīdzētu pilotiem redzēt skrejceļu caur pilota kabīnes grīdu vai palīdzētu autovadītājiem paskatīties, kad viņi novietoti stāvvietā." Kawakami apmetnis ir pārklāts ar sīkām atstarojošām pērlītēm, kas darbojas kā filmas ekrāns. Kas notiek no aizmugures, tiek filmēts ar videokameru. Pēc tam šis attēls nonāk pie videoprojektora, kurš, savukārt, to projicē uz apmetni priekšā. Liekas, ka gaisma caur cilvēku iekļūst cauri un cauri.
Lietusmēteļu prototipi ar optisko maskēšanās sistēmu jau ir izveidoti laboratorijā. Ja paskatās tieši no priekšpuses uz cilvēku šādā apmetnī, šķiet, ka viņš pazūd, jo jūs redzat tikai attēlu tam, kas notiek aiz muguras. Bet, ja jūs un ar jums acis nedaudz pārvietojaties, un attēls uz apmetņa paliek tāds pats, kļūs skaidrs, ka tā ir tikai maldināšana. Reālistiskākā optiskā pārklājuma sistēmā būs jārada trīsdimensiju attēla ilūzija. Tam būs vajadzīgas hologrammas.
Hologramma ir 3D attēls, ko rada lāzeri (domājiet par princeses Lejas 3D attēlu Zvaigžņu karos). Jūs varat padarīt cilvēku neredzamu, ja nofotografējat fonu aiz viņa ar īpašu hologrāfisko kameru un pēc tam to izveidojat uz īpaša hologrāfiskā ekrāna viņa priekšā. Novērotājs priekšā redzēs hologrāfisku ekrānu ar visu, kas faktiski atrodas priekšā, izņemot personu, attēlu. Izskatīsies, it kā cilvēks vienkārši pazustu. Tā vietā būs precīzs 3D attēls no fona. Pat pēc pārcelšanās jūs nevarēsit saprast, ka priekšā ir viltus.
Šādu trīsdimensiju attēlu izveidošana ir iespējama lāzera gaismas "saskaņotības" dēļ, t.i. fakts, ka elektromagnētiskās svārstības tajā notiek stingri unisonā. Lai izveidotu hologrammu, koherentu lāzera staru sadala divās daļās. Viena puse ir vērsta uz fotofilmu, otra - uz to pašu fotofilmu, bet pēc pārdomām no objekta. Kad abas staru kūļa puses traucē, uz filmas parādās traucējumu raksts, kurā ir visa informācija par sākotnējo trīsdimensiju staru. Filma pēc izstrādes neizskatās ļoti daudzsološi - uz tās ir redzams tikai nesaprotamu līniju un cirtas tīmeklis. Bet, ja caur šo filmu izlaižat lāzera staru, gaisā parādās precīza objekta trīsdimensiju kopija, it kā ar burvju palīdzību.
Neskatoties uz to, hologrāfiskā neredzamība rada ļoti nopietnas problēmas pētniekiem. Viens no tiem ir hologrāfiskas kameras izveidošana, kas spēj uzņemt vismaz 30 attēlus sekundē. Vēl viena ir visas šīs informācijas glabāšana un apstrāde. Visbeidzot, attēls būs jāprojektē uz ekrāna, lai tas izskatās reāli.
Neredzamība caur ceturto dimensiju
Jāpiemin vēl viens, daudz viltīgāks veids, kā kļūt neredzamam, kā to ieskicējis H. G. Wells romānā The Invisible Man. Šī metode ietver ceturtās dimensijas iespēju izmantošanu. (Vēlāk šajā grāmatā es vairāk runāšu par augstāku dimensiju iespējamo eksistenci.) Vai cilvēks var atstāt mūsu trīsdimensiju Visumu un lidināties virs tā ceturtajā dimensijā, vērojot notiekošo no malas? Tāpat kā trīsdimensiju tauriņš, kas plīvo virs divdimensiju papīra loksnes, šāds cilvēks būtu neredzams jebkuram zemāk esošajam Visuma iedzīvotājam. Vienīgā problēma ir tā, ka augstāku dimensiju esamība vēl nav pierādīta. Turklāt hipotētiskam braucienam vienā no šīm dimensijām būtu nepieciešams daudz vairāk enerģijas, nekā mums šobrīd ir pie pašreizējā tehnikas līmeņa. Ja mēs runājam par reāliem veidiem, kā panākt neredzamību, tad šī metode acīmredzami tālu pārsniedz mūsu pašreizējās zināšanas un iespējas.
Ņemot vērā milzīgo progresu, kas jau panākts ceļā uz neredzamību, es domāju, ka mēs to varam droši klasificēt kā I klases neiespējamību. Viena vai otra veida neredzamība dažās nākamajās desmitgadēs var kļūt izplatīta, vismaz līdz gadsimta beigām.