Filmis Star Trek IV: Voyage Home vallutab ettevõtte meeskond Klingoni lahinguristi. Erinevalt Föderatsiooni Tähelaevastiku laevadest on Klingoni impeeriumi laevad varustatud salajase "varjamisseadmega", mis võib muuta need silma ja radari jaoks nähtamatuks. See seade võimaldab Klingoni laevadel jääda märkamatuks Föderatsiooni laevade sabas ja streikida karistamatult. Tänu varjamisseadmele on Klingoni impeeriumil strateegiline eelis Planeetide Föderatsiooni ees.
Kas selline seade on tegelikult võimalik? Nähtamatusest on ammu saanud üks ulme- ja fantaasiateoste tavalisi imesid - alates "Nähtamatust inimesest" kuni Harry Potteri maagilise nähtamatuse küüsini või rõngani "Sõrmuste isandalt". Sellegipoolest on füüsikud vähemalt saja aasta jooksul üksmeelselt keelanud nähtamatuse klatšide loomise võimaluse ja väitnud ühemõtteliselt, et see on võimatu: nad rikuvad optika seadusi ega nõustu mateeria ühegi teadaoleva omadusega.
Kuid tänapäeval võib võimatu muutuda võimalikuks. "Metamaterjalide" edusammud sunnivad optikaõpikuid märkimisväärselt läbi vaatama. Selliste materjalide laboris loodud tööproovid pakuvad suurt huvi meediale, töösturitele ja sõjaväele; kõiki huvitab, kuidas muuta nähtav nähtamatuks.
Nähtamatus ajaloos
Nähtamatus on võib-olla üks vanimaid mõisteid iidses mütoloogias. Aegade algusest peale tundis üksinda öö hirmutavas vaikuses mees, et ta nägi nähtamatuid olendeid ja kartis neid. Kõik tema ümber pimeduses varitsesid surnute vaimud - nende hinged, kes olid enne teda läinud. Nähtamatu kiivriga relvastatud Kreeka kangelasel Perseusel õnnestus tappa kuri gorgon Medusa. Kõikide aegade kindralid unistasid varjatud seadmest, mis võimaldaks neil vaenlasele nähtamatuks muutuda. Nähtamatust kasutades võiks hõlpsalt tungida vaenlase kaitseliini ja teda üllatusena haarata. Kurjategijad võisid julgete röövimiste korral kasutada nähtamatust.
Platoni eetika ja moraali teoorias mängis nähtamatus suurt rolli. Oma filosoofilises teoses "Riik" rääkis Platon meile Giga rõnga müüti. Selles müüdis siseneb Lydia vaene, kuid aus karjane Gigus salajasse koopasse ja leiab seal haua; ta näeb surnukeha sõrmel kuldsõrmust. Gig avastab veel, et rõngal on maagilised võimed ja see võib muuta selle nähtamatuks. Vaene lambakoer on sõna otseses mõttes purjus selle jõuga, mille rõngas talle on andnud. Teinud kuningapaleesse, võrgutab Gigus kuninganna rõngaga, siis tapab ta tema abil kuninga ja temast saab järgmine Lydia kuningas.
Moraal, mille Platon sellest loost järeldas, on see, et keegi ei suuda vastu panna kiusatusele võtta kellegi teise kätte ja tappa karistamatult. Inimesed on nõrgad ja moraal on sotsiaalne nähtus, mida tuleb implanteerida ja väljastpoolt toetada. Avalikult saab inimene moraalinorme järgida, et vaadata välja korralik ja aus ning säilitada oma mainet, kuid kui annate talle võimaluse muutuda nähtamatuks, ei suuda ta vastu panna ja kasutab kindlasti oma uut jõudu. (Mõnede arvates inspireeris see moraalne tähendamissõna JRR Tolkieni "Sõrmuste isanda" triloogiat; rõngas, mis muudab selle omaniku nähtamatuks, on ka kurja allikas.)
Reklaamvideo:
Ulmekirjanduses on nähtamatus üks levinumaid süžeed. 1930. aastate koomiksisarjas. "Flash Gordon" Flash muutub nähtamatuks, et varjata kurikava Ming the Ruthless tulistamisüksuse eest. Harry Potterit käsitlevates romaanides ja filmides võib peategelane võlukleebise selga pannes märkamatult mööda Sigatüüka lossi ringi liikuda.
H. G. Wells on klassikalises romaanis Nähtamatu mees kehastanud praktiliselt samu ideid konkreetsel kujul. Selles romaanis avastab arstitudeng kogemata neljanda mõõtme võimalused ja muutub nähtamatuks. Kahjuks kasutab ta saadud fantastilisi võimalusi isikliku kasu saamiseks, paneb toime terve rea pisikuritegusid ja sureb lõpuks meeleheitlikul katsel politseist põgeneda.
Maxwelli võrrandid ja valguse müsteerium
Füüsikud on saanud optika seadustest selge arusaamise suhteliselt hiljuti šotlase James Clerk Maxwelli, ühe 19. sajandi füüsikahiiglase, töö tulemusel. Maxwell oli teatud mõttes Faraday täielik vastand. Kui Faradayl oli suurepärane eksperimenteerija, kuid tal polnud ametlikku haridust, oli ta tänapäeva Maxwell kõrgema matemaatika kapten. Matemaatilise füüsika koolituse lõpetas ta kiitusega Cambridge'is, kus Isaac Newton töötas kaks sajandit enne teda.
Newton leiutas diferentsiaalkalkulatsiooni - see kirjeldab diferentsiaalvõrrandite keeles, kuidas objektid läbivad pidevalt lõputult väikeseid muutusi ajas ja ruumis. Ookeanilainete, vedelike, gaaside ja kahurikuulide liikumist saab kõik kirjeldada diferentsiaalvõrranditena. Maxwell hakkas tööd pidades silmas selget eesmärki: väljendada Faraday revolutsioonilisi avastusi ja tema füüsilisi väljad, kasutades täpseid diferentsiaalvõrrandeid.
Maxwell alustas Faraday väitega, et elektriväljad võivad muutuda magnetiliseks ja vastupidi. Ta tegi pilte Faraday joonistatud füüsilistest väljadest ja kirjutas need diferentsiaalvõrrandite täpses keeles üles. Selle tulemusel saadi moodsa teaduse üks olulisemaid võrrandisüsteeme. See on kaheksa üsna jube tüüpi diferentsiaalvõrrandi süsteem. Iga maailma füüsik ja insener pidi neist korraga higistama, omandades instituudis elektromagnetismi.
Siis esitas Maxwell endale saatusliku küsimuse: kui magnetväli võib muutuda elektriväljaks ja vastupidi, siis mis saab siis, kui need muutuvad pidevalt lõputu teisenduste jada käigus ühelt teisele? Maxwell avastas, et selline elektromagnetiline väli tekitab ookeanitaolise laine. Ta arvutas välja selliste lainete liikumiskiiruse ja leidis enda üllatuseks, et see võrdub valguse kiirusega! Aastal 1864, avastanud selle fakti, kirjutas ta prohvetlikult: "See kiirus on nii lähedal valguse kiirusele, et tundub, et meil on põhjust järeldada, et valgus ise … on elektromagnetiline häire".
Sellest avastusest sai võib-olla üks suuremaid inimkonna ajaloos - valguse saladus paljastus lõpuks! Maxwell mõistis äkki, et kõike - suvise päikesetõusu kuma ja loojuva päikese raevukaid kiiri ning vikerkaare pimestavaid värve ja öiseid taevas olevaid tähti - saab kirjeldada lainete abil, mida ta juhuslikult kujutas paberitükil. Täna mõistame, et kogu elektromagnetiline spekter: radarisignaalid, mikrolainekiirgus ja televiisorilained, infrapuna-, nähtav ja ultraviolettvalgus, röntgenikiirgus ja gammakiir pole midagi muud kui Maxwelli vesi; ja need omakorda tähistavad Faraday füüsiliste väljade vibratsiooni.
Maxwelli võrrandite olulisusest rääkides kirjutas Einstein, et see on "kõige sügavam ja viljakam asi, mida füüsika on Newtoni ajast saadik kogenud."
(Traagiliselt suri Maxwell, 19. sajandi üks suurimaid füüsikuid, piisavalt noorelt, 48-aastaselt, maovähki - tõenäoliselt samasse haigusesse, mis ta selles vanuses tappis. Kui ta elas kauem, võib ta olla õnnestunud) avastaks, et tema saadud võrrandid võimaldavad ruumi-aja moonutusi ja see viiks otse Einsteini relatiivsusteooria juurde. Mõte, et Maxwell elas kauem ja relatiivsusteooria võis ilmneda Ameerika kodusõja ajal, raputab tuuma.)
Maxwelli valguse teooria ja mateeria struktuuri aatomiteooria annavad optikale ja nähtamatusele lihtsa seletuse. Tahke aine aatomid on tihedalt pakitud, vedeliku või gaasi korral on molekulide vaheline kaugus palju suurem. Enamik tahkeid aineid on läbipaistmatud, kuna valguskiired ei pääse läbi tiheda aatomite hulga, mis toimib telliseina. Paljud vedelikud ja gaasid on seevastu läbipaistvad, kuna valgust on kergem läbi viia haruldaste aatomite vahel, mille vaheline kaugus on suurem kui nähtava valguse lainepikkus. Näiteks vesi, alkohol, ammoniaak, atsetoon, vesinikperoksiid, bensiin ja muud vedelikud on läbipaistvad, samuti läbipaistvad ning sellised gaasid nagu hapnik, vesinik, lämmastik, süsinikdioksiid, metaan jne.
Sellest reeglist on mitu olulist erandit. Paljud kristallid on nii tahked kui ka läbipaistvad. Kuid kristallis olevad aatomid asuvad korrapärase ruumilise võre kohtades ja moodustavad nende vahel korrapäraste ridadega võrdse intervalliga. Selle tulemusel on kristallvõres alati palju teid, mida mööda võib valguskiir sellest läbi pääseda. Seega, ehkki kristallide aatomid on pakitud mitte vähem tihedalt kui muusse tahkesse ainesse, on valgus siiski võimeline seda tungima.
Teatud tingimustes võib isegi juhuslikult paigutatud aatomitega tahke objekt läbipaistvaks muutuda. Mõne materjali puhul saab selle efekti saavutada, kuumutades objekti kõrgele temperatuurile ja seejärel kiiresti jahutades. Näiteks on klaas tahke aine, millel on aatomite juhusliku paigutuse tõttu palju vedeliku omadusi. Mõnda kommi saab ka sel viisil läbipaistvaks muuta.
Ilmselt tekib nähtamatuse omadus aatomi tasemel vastavalt Maxwelli võrranditele ja seetõttu on seda tavapäraste meetodite abil äärmiselt keeruline, kui mitte võimatu reprodutseerida. Harry Potteri nähtamatuks tegemiseks tuleb ta likvideerida, keeta ja auruks muuta, kristalliseerida, kuumutada ja jahutada - peate nõustuma, et mõni neist toimingutest oleks isegi võluri jaoks väga keeruline.
Sõjavägi, kes ei suutnud ehitada nähtamatuid lennukeid, püüdis teha lihtsamat asja: nad lõid stele-tehnoloogia, mis muudab lennukite radaritele nähtamatuks. Maxwelli võrranditel põhinev stele-tehnoloogia täidab mitmeid trikke. Stele-reaktiivlennukit on palja silmaga lihtne näha, kuid vaenlase radariekraanil on selle pilt laias laastus suure linnu suurus. (Tegelikult on stele-tehnoloogia kombinatsioon mitmest täiesti erinevast nipist. Võimalusel asendatakse võitleja konstruktsioonimaterjalid radariläbipaistvatega: terase asemel kasutatakse mitmesuguseid plaste ja vaiku; fuselage nurgad muutuvad; mootori pihustite konstruktsioon jne). kõiki neid trikke saab teha vaenlase radarikiireks, mis lööb lennukit,hajutada kõigis suundades ja mitte naasta vastuvõtvasse seadmesse. Kuid isegi selle tehnoloogiaga ei muutu hävitaja täiesti nähtamatuks; see lihtsalt painutab ja hajutab radari kiire nii palju kui tehniliselt võimalik.)
Metamaterjalid ja nähtamatus
Võib-olla kõige lootustandvamad nähtamatuse hiljutised edusammud on eksootiline uus materjal, mida nimetatakse "metamaterjaliks"; on võimalik, et ühel päeval muudab ta objektid tegelikult nähtamatuks. See on naljakas, kuid kunagi peeti võimatuks ka metamaterjalide olemasolu, kuna need rikuvad optika seadusi. Kuid 2006. aastal lükkasid Põhja-Carolina Durhami Duke'i ülikooli ja Londoni Imperial College'i teadlased selle tavapärase tarkuse edukalt ümber ja tegid objekti metamaterjalide abil mikrolainekiirgusele nähtamatuks. Sellel teel on endiselt piisavalt takistusi, kuid esimest korda ajaloos on inimkonnal tehnika, mis võimaldab muuta tavalised objektid nähtamatuks. (Seda uuringut rahastas DARPA, Kaitseuuringute Arengu Teadusprojektide Agentuur.)
Nathan Myhrvold, endine Microsofti juhtivtehnoloog, väidab, et metamaterjalide revolutsiooniline jõud "muudab täielikult seda, kuidas läheneme optikale ja peaaegu igale elektroonika aspektile … Mõned metamaterjalid on võimelised sellisteks võitudeks, mis aastakümnete eest oleksid tundunud imed."
Mis on metamaterjalid? Need on optiliste omadustega ained, mida looduses ei eksisteeri. Metamaterjalide loomisel kinnistatakse ainesse pisikesi implantaate, mis sunnivad elektromagnetilisi laineid minema ebastandardsete radade suunas. Duke'i ülikoolis on teadlased lisanud palju pisikesi elektriskeemid vaskteipidesse, mis on asetatud lamedatesse kontsentrilistesse ringidesse (kõik natuke nagu kuumutusplaat). Tulemuseks on keeruline struktuur, mis koosneb keraamikast, teflonist, komposiitkiududest ja metallkomponentidest. Vase pisikesed implantaadid võimaldavad mikrolainekiirgust suunata ja suunata selle etteantud rada pidi. Kujutage ette, kui jõgi voolab ümber rändrahnu. Vesi pöördub kivi ümber väga kiirestiseetõttu ei mõjuta selle olemasolu allavoolu mingil viisil ja seda on võimatu paljastada. Samuti on metamaterjalid võimelised pidevalt muutma mikrolainete teekonda nii, et need voolavad ümber näiteks kindla silindri ja muudavad seeläbi kõik selle silindri sees raadiolainete jaoks nähtamatuks. Kui metamaterjal võib kõrvaldada ka kõik peegeldused ja varjud, muutub objekt selle kiirgusvormi korral täiesti nähtamatuks.
Teadlased on seda põhimõtet edukalt demonstreerinud seadmega, mis koosneb kümnest vasest elementidega kaetud klaaskiust rõngast. Seadme sees olev vaserõngas oli mikrolainekiirguse suhtes peaaegu nähtamatu; see heitis ainult nõrka varju.
Metamaterjalide ebatavalised omadused põhinevad nende võimel juhtida parameetrit, mida nimetatakse murdumisnäitajaks. Murdumine - valguse omadus läbipaistva materjali läbimisel levimissuunda muuta. Kui paned oma käe vette või vaatad lihtsalt läbi prillide läätsi, märkad, et vesi ja klaas kalduvad ja moonutavad tavaliste valguskiirte rada.
Klaasis või vees valguskiire läbipainde põhjuseks on see, et valgus aeglustub sisenedes tihedasse läbipaistvasse materjali. Valguse kiirus ideaalses vaakumis on püsiv, kuid klaasis või vees "pigistab" valgus läbi triljonite aatomite klastri ja seetõttu aeglustub. (Vaakumis oleva valguse kiiruse ja keskkonnas oleva valguse kiiruse suhet nimetatakse murdumisnäitajaks. Kuna mis tahes keskkonnas valguse kiirus aeglustub, on murdumisnäitaja alati suurem kui üks.) Näiteks vaakumi murdumisnäitaja on 1,00; õhu jaoks -10003; klaasi jaoks - 1,5; teemant-2,4 jaoks. Reeglina, mida tihedam on keskkond, seda rohkem see valguskiiri kõrvale kaldub ja vastavalt, seda suurem on murdumisnäitaja.
Miraažid võivad olla murdumisega seotud nähtuste väga selgeks demonstreerimiseks. Kui vaatate kuumal päeval kiirteed mööda sõites horisondi poole otse, siis tundub tee teile kohati säravat ja loob illusiooni sädelevast veepinnast. Kõrbes võib vahel silmapiiril näha kaugete linnade ja mägede piirjooni. See juhtub seetõttu, et teepeenra või kõrbeliiva kohal soojendatud õhul on madalam tihedus ja vastavalt madalam murdumisnäitaja kui ümbritseval tavalisel jahedamal õhul; seetõttu saab kaugetest objektidest tulevat valgust kuumutatud õhukihis murda ja seejärel silma siseneda; see annab teile illusiooni, et näete tõesti kaugeid objekte.
Murdumisnäitaja on reeglina püsiv väärtus. Kitsas klaasist tungiv valguskiir muudab suunda ja liigub seejärel sirgjooneliselt edasi. Kuid mõelgem hetkeks, et suudame murdumisnäitajat juhtida nii, et klaasi igas punktis võib see antud viisil pidevalt muutuda, nii uues materjalis liikuv Valgus võiks meelevaldselt suunda muuta; kiirte tee selles keskkonnas tähendaks nagu madu.
Kui murdumisnäitajat oli võimalik metamaterjalis juhtida nii, et valgus painduks teatud objekti ümber, siis muutub see objekt nähtamatuks. Sellise efekti saavutamiseks peab metamaterjali murdumisnäitaja olema negatiivne, kuid igas optika õpikus öeldakse, et see on võimatu, (Metamaterjale ennustati teoreetiliselt esmakordselt Nõukogude füüsiku Viktor Veselago töös 1967. aastal. Just Veselago näitas, et neil materjalidel peavad olema sellised ebatavalised optilised omadused nagu negatiivne murdumisnäitaja ja pöördvõrdeline Doppleri efekt. Metamaterjalid tunduvad nii kummalised ja isegi absurdsed, et alguses nende praktilist rakendamist peeti lihtsalt võimatuks. Kuid viimastel aastatel on laboris saadud metamaterjale, mis sundisid füüsikuid alustama optikaõpikute ümberkirjutamist.)
Metamaterjalidega tegelevaid teadlasi häirivad ajakirjanikud pidevalt küsimusega: millal lõpuks ilmuvad nähtamatuse klatšid? Vastuse saab sõnastada väga lihtsalt: mitte niipea.
David Smith Duke'i ülikoolist ütleb: “Ajakirjanikud helistavad ja paluvad vähemalt tähtaega. Mitu kuud või, ütleme, aasta pärast see juhtub. Nad pressivad, pressivad ja pressivad ning lõpuks ei saa te seda taluda ja öelda, et võib-olla viieteistkümne aasta pärast. Ja kohe seal - ajalehe pealkiri, eks? Viisteist aastat enne Harry Potteri katet. Sellepärast keeldub ta nüüd ühtegi kuupäeva nimetamast.
Harry Potteri või Star Treki fännid peavad tõenäoliselt ootama. Ehkki tõeline nähtamatuse kattekiht ei lähe enam vastuollu teadaolevate loodusseadustega - nagu enamik füüsikuid sellega nüüd ka nõustub -, on veel palju keerulisi tehnilisi takistusi, mis tuleb ületada, enne kui seda tehnoloogiat saab laiendada ka nähtava valguse ja mitte ainult mikrolainetega töötamiseks kiirgus.
Üldiselt peaksid metamaterjalisse põimitud sisemiste struktuuride mõõtmed olema väiksemad kui kiirguse lainepikkus. Näiteks mikrolainete lainepikkus võib olla suurusjärgus 3 cm, nii et kui me tahame, et metamaterjal painutaks mikrolainete rada, peame sellesse sisestama implantaadid, mis on väiksemad kui 3 cm. Kuid selleks, et muuta objekt rohelise valguse jaoks nähtamatuks (lainepikkusega 500 nm), metamaterjalil peaksid olema manustatud struktuurid ainult umbes 50 nm pikad. Kuid nanomeetrid on juba aatomi skaala ja selliste suurustega töötamiseks on vaja nanotehnoloogiat. (Nanomeeter on üks miljard millimeetrit. Üks nanomeeter mahutab umbes viit aatomit.) Võib-olla on see peamine probleem, millega me tõelise nähtamatuse küüsist luues kokku peame puutuma. Kui tahad, nagu madu, painutada valgusvihu rada,me peaksime modifitseerima üksikuid aatomeid metamaterjalis.
Metamaterjalid nähtava valguse jaoks
Nii algas võistlus.
Vahetult pärast laboris esimeste metamaterjalide vastuvõtmise teadet algas selles piirkonnas palavikuline tegevus. Iga paari kuu tagant kuuleme revolutsioonilistest arusaamadest ja jahmatavatest läbimurretest. Eesmärk on selge: luua nanotehnoloogia abil metamaterjale, mis suudaksid painutada mitte ainult mikrolaineid, vaid ka nähtavat valgust. Mitmeid lähenemisviise on juba välja pakutud ja kõik need näivad olevat üsna paljulubavad.
Üks ettepanekutest on kasutada valmismeetodeid, see tähendab laenutada mikroelektroonikatööstuses kasutatud tehnoloogiaid metamaterjalide tootmiseks. Näiteks arvutite miniaturiseerimine põhineb fotolitograafia tehnoloogial; see on ka arvutirevolutsiooni mootor. See tehnoloogia võimaldab inseneridel paigutada pisipiltide suurusele ränivahvlile sadu miljoneid pisikesi transistreid.
Arvutite võimsus kahekordistub iga 18 kuu tagant (seda mustrit nimetatakse Moore'i seaduseks). See on tingitud asjaolust, et teadlased ultraviolettkiirguse abil söövitavad ränilaastudel üha enam pisikesi komponente. See tehnoloogia on väga sarnane protsessiga, mille käigus muster trafareeritakse värvilisele T-särgile. (Arvutiinsenerid alustavad õhukese aluspinnaga, mille peal asetatakse erinevate materjalide peeneimad kihid. Seejärel kaetakse põhimik plastmaskiga, mis toimib mallina. Maskile on eelnevalt kantud elektriskeemide aluseks olevad juhtmete, transistoride ja arvutikomponentide komplekssed joonised. Toorikut kiiritatakse kõva ultraviolettvalgusega., st väga lühikese lainepikkusega ultraviolettkiirgusega kokkupuutel;see kiirgus edastab maatriksi mustri valgustundlikule põhimikule. Seejärel töödeldakse toorikut spetsiaalsete gaaside ja hapetega ning maatriksi kompleksne muster söövitatakse substraadile nendes kohtades, kus see oli ultraviolettkiirguse käes. Selle protsessi tulemuseks on sadade miljonite pisikeste sisselõigetega plaat, mis moodustab transistoride ahelad.) Praegu on väikseimad komponendid, mida kirjeldatud protsessi abil saab luua, umbes 30 nm (või umbes 150 aatomit). Selle protsessi tulemuseks on sadade miljonite pisikeste sisselõigetega plaat, mis moodustab transistoride ahelad.) Praegu on väikseimad komponendid, mida kirjeldatud protsessi abil saab luua, umbes 30 nm (või umbes 150 aatomit). Selle protsessi tulemuseks on sadade miljonite pisikeste sisselõigetega plaat, mis moodustab transistoride ahelad.) Praegu on väikseimad komponendid, mida kirjeldatud protsessi abil saab luua, umbes 30 nm (või umbes 150 aatomit).
Märkimisväärne verstapost teel nähtamatuseni oli Saksamaa ja USA energeetikaministeeriumi teadlaste rühma hiljutine eksperiment, mille käigus kasutati räni substraadi söövitamise protsessi esimese metamaterjali valmistamiseks, mis oleks võimeline töötama nähtava valguse piirkonnas. 2007. aasta alguses teatasid teadlased, et nende loodud metamaterjal mõjutas punast tuld. "Võimatu" viidi ellu üllatavalt lühikese aja jooksul.
Amesi labori ja Iowa riikliku ülikooli füüsik Kostas Sukulis suutis koos Stephan Lindeni, Martin Wegeneri ja Saksamaa Karlsruhe ülikooli Gunnar Dollinguga luua metamaterjali, mille murdumisnäitaja oleks -0,6 punase valguse jaoks lainepikkusega 780 nm. (Enne seda oli metamaterjaliga "mähitud" kiirguse lainepikkuse maailmarekord 1400 nm; see pole enam nähtav, vaid infrapunavalgus.)
Alustuseks võtsid teadlased klaasilehe ja kandsid sellele õhukese kihi hõbedat, seejärel kihi magneesiumfluoriidi, seejärel jälle ühe kihi hõbedat; nii saadi ainult 100 nm paksusega fluoriidiga "võileib". Seejärel kasutasid teadlased standardset söövimistehnoloogiat, et sellesse võileiva sisse teha palju pisikesi ruudukujulisi auke (laiusega ainult 100 nm, palju vähem kui punase valguse lainepikkus); tulemuseks on kalavõrku meenutav võrestruktuur. Seejärel läbisid nad saadud materjali läbi punase tule ja mõõtsid murdumisnäitajat, mis oli -0,6.
Autorid arvavad, et nende leiutatud tehnoloogia leiab laialdast kasutamist. Metamaterjalid võivad „kunagi viia teatud tüüpi lamedate ülitäpideni, mis töötavad nähtava spektriga,“ütleb dr Sukulis. "See objektiiv võimaldab teil saavutada kõrgemat eraldusvõimet kui traditsiooniline tehnoloogia ja eristada detaile, mis on oluliselt väiksemad kui valguse lainepikkus." Ilmselt oleks "superlensi" üks esimesi rakendusi mikroskoopiliste objektide pildistamine enneolematu selgusega; võime rääkida fotografeerimisest inimese elusrakus või loote haiguste diagnoosimisest emakas. Ideaalis on võimalik DNA molekuli komponente fotografeerida otse, töötlemata röntgenkristallograafia tehnikaid kasutamata.
Siiani on teadlased suutnud negatiivse murdumisnäitaja näidata ainult punase tule korral. Kuid meetod tuleb välja töötada ja järgmine samm on luua metamaterjal, mis saaks objekti ümber punase kiirga täielikult ringi teha, muutes selle punase valguse jaoks nähtamatuks.
Edasist arengut võib oodata ka "footonkristallide" valdkonnas. Fotonkristalli tehnoloogia eesmärk on luua kiip, mis kasutab teabe töötlemiseks elektri asemel valgust. Idee on kasutada nanotehnoloogiat pisikeste komponentide söövitamiseks aluspinnale, nii et murdumisnäitaja muutuks iga komponendi korral. Transistoridel, milles valgus töötab, on elektroonilistega võrreldes palju eeliseid. Näiteks fotoonilistes kristallides on palju vähem soojuskaod. (Keerukad ränilaastud tekitavad muna praadimiseks piisavalt soojust. Nende rikke vältimiseks tuleb neid pidevalt jahutada, mis on väga kallis.)
Pole üllatav, et fotooniliste kristallide tootmise tehnoloogia peaks olema ideaalne metamaterjalide jaoks, kuna mõlemad tehnoloogiad hõlmavad valguse murdumisnäitaja manipuleerimist nanomõõtmetes.
Nähtamatus läbi plasmonika
Soovimata, et konkurendid neist kaugemale jääksid, kuulutas teine füüsikute grupp 2007. aasta keskel välja nähtava valguse pöörlemiseks võimelise metamaterjali loomise, mis põhineb täiesti erineval tehnoloogial, mida nimetatakse plasmonikuks. California tehnoloogiainstituudi füüsikud Henri Lesek, Jennifer Dionne ja Harry Atwater teatasid metamaterjali loomisest, millel on negatiivse murdumisnäitaja nähtava spektri keerukama sinakasrohelise piirkonna jaoks.
Plasmonikumi eesmärk on sel viisil "pigistada" valgust, et objekte saaks nanoskaalas manipuleerida, eriti metallpindadel. Metallide elektrijuhtivuse põhjus peitub selles, et metalli aatomites olevad elektronid on nõrgalt seotud tuumaga ja võivad vabalt liikuda mööda metallvõre pinda. Teie kodus juhtmete kaudu kulgev elekter on nende lõdvalt seotud elektronide sujuv vool läbi metallpinna. Kuid teatud tingimustel, kui valguskiir tabab metallpinda, võivad elektronid vibreeruda valgusega koos. Sel juhul ilmuvad metalli pinnale elektronide lainetaolised liikumised (neid laineid nimetatakse plasmoonideks) ajas, elektromagnetilise välja võnkumistega metalli kohal. Veelgi olulisem on see, et neid plasmoone saab "kokku suruda", nii et neil oleks sama sagedus kuialgse valguskiirena (mis tähendab, et need kannavad sama teavet), kuid palju lühema lainepikkusega. Põhimõtteliselt saab need kokkusurutud lained seejärel nanosuheteks pigistada. Nagu fotooniliste kristallide puhul, on ka plasmonika lõppeesmärk luua arvutikiibid, mis töötaksid valgust, mitte elektrit.
California Tech grupp ehitas oma metamaterjali kahe kihi hõbeda ja räni-lämmastikku isoleeriva kihiga (kõigest 50 nm paksune). See kiht toimib "lainejuhina", mis on võimeline suunama plasmoonilaineid soovitud suunas. Laserkiir siseneb seadmesse läbi metamaterjalist lõigatud pilu; see läbib lainejuhi ja väljub siis läbi teise pilu. Kui analüüsite nurki, mille korral laserkiir paindub metamaterjali läbimisel, saate kindlaks teha, et materjalil on antud lainepikkusega valguse negatiivne murdumisnäitaja.
Metamaterjalide tulevik
Edasised muudatused metamaterjalide uurimisel kiirenevad sel lihtsal põhjusel, et juba praegu on suur huvi luua transistorid, mis töötaksid elektri asemel valgusvihuga. Seetõttu võime eeldada, et nähtamatuse valdkonna teadusuuringud suudavad "sõita üles", st kasutada juba käimasolevate uuringute tulemusi, et luua ränilaastule asendus, kasutades footonkristalle ja plasmonikaid. Juba praegu investeeritakse ränikillude asendamiseks mõeldud tehnoloogia arendamiseks sadu miljoneid dollareid ja sellest saavad kasu ka teadusuuringud metamaterjalide valdkonnas.
Praegu tehakse selles valdkonnas uusi olulisi avastusi iga paari kuu tagant, nii et pole üllatav, et mõned füüsikud loodavad, et esimesed proovid reaalsest nähtamatuse kilbist ilmnevad laboris mõne aastakümne jooksul. Nii on teadlased kindlad, et suudavad lähiaastatel luua metamaterjale, mis muudavad objekti mis tahes kindla sagedusega nähtava valguse jaoks vähemalt kahes mõõtmes täiesti nähtamatuks. Selle efekti saavutamiseks on vaja pisikesi nanoimplantaate metamaterjali sisse viia mitte tavalistes ridades, vaid keeruka mustrina, nii et selle tulemusel paindub valgus sujuvalt varjatud objekti ümber.
Järgmisena peavad teadlased leiutama ja looma metamaterjalid, mis suudavad valgust painutada ka kolmemõõtmeliselt, mitte ainult tasastel kahemõõtmelistel pindadel. Fotolitograafia on tõestatud tehnoloogia lamedate räniringide tootmiseks; kolmemõõtmeliste metamaterjalide loomine nõuab vähemalt mitme tasapinnalise diagrammi keerukat paigutust.
Pärast seda peavad teadlased lahendama metamaterjalide loomise probleemi, mis painutavad valgust mitte ühe sageduse, vaid mitme - või, näiteks, sagedusriba. See on vaieldamatult kõige keerulisem ülesanne, sest kõik seni välja töötatud pisikesed implantaadid suunavad valguse ainult ühe täpse sagedusega. Teadlased peavad võib-olla tegelema mitmekihiliste metamaterjalidega, kus iga kiht toimib ühel kindlal sagedusel. Veel pole selge, milline on selle probleemi lahendus.
Kuid nähtamatuse kilp, isegi pärast laboris lõplikku loomist, ei pruugi üldse olla see, mida me tahame, tõenäoliselt on see raske ja kohmakas seade. Harry Potteri vaip õmmeldi õhukesest pehmest kangast ja see muutis nähtamatuks kõik, kes end sellesse mässisid. Kuid selleks, et selline efekt oleks võimalik, peab koe sees olev murdumisnäitaja pidevalt muutuma keerulisel viisil vastavalt koe vibratsioonile ja inimese liigutustele. See on ebapraktiline. Tõenäoliselt on nähtamatuse varjamiseks vähemalt esialgu kindel metamaterjali silinder. Sel juhul saab silindri sees oleva murdumisnäitaja muuta konstantseks. (Täiustatud mudelites võivad aja jooksul ilmuda elastsed metamaterjalid, mis võivad painduda ja samal ajal hoida valgust enda sees õigel teel.kes jäävad "klatši" sisse, saavad liikumisvabaduse.)
Nähtamatuse kilbil on üks puudus, millele on juba korduvalt viidatud: see, kes on sees, ei saa välja nägema, ilma et oleks nähtav. Kujutage ette Harry Potterit, kellel on ainult tema silmad; samal ajal kui nad näivad hõljuvat õhu kaudu sobivas kõrguses. Kõik nähtamatuse küüsis olevad silma augud oleksid väljastpoolt selgelt nähtavad. Kui muudate Harry Potteri täiesti nähtamatuks, siis peab ta istuma pimesi ja täielikus pimeduses oma katte all. (Selle probleemi üheks võimalikuks lahenduseks oleks kaks väikest klaasi silmade ees. Need prillid toimiksid kui "talajaoturid"; need pigistaksid minema ja suunaksid väikese osa neile langevast valgust silma. läheks mööda, muutes inimese sees nähtamatuks, kuid mõni, väga väike,osa sellest eralduks ja satuks silma.)
Kahtlemata on nähtamatuse takistused väga tõsised, kuid teadlased ja insenerid on optimistlikud ja usuvad, et järgmise paarikümne aasta jooksul saab luua sellist laadi nähtamatuse kilbi.
Nähtamatus ja nanotehnoloogia
Nagu ma juba mainisin, võib nähtamatuse võti olla nanotehnoloogia arendamine, s.t. võime manipuleerida aatomisuuruste (meetriga üle ühe miljardi meetri) struktuuridega.
Nanotehnoloogia sündimise hetkeks nimetatakse kuulsat iroonilise pealkirjaga loengut "Altpoolt on ruumi täis", mille Nobeli preemia laureaat Richard Feynman pidas enne Ameerika füüsikaühingut 1959. Selles loengus rääkis ta, kuidas väikseimad masinad võiksid teadaolevate moodi kohaselt välja näha. meid füüsikaseaduste järgi. Feynman mõistis, et masinate suurus muutub väiksemaks, kuni nad lähenevad aatomi suurusele, ja siis saab aatomeid ise kasutada uute masinate loomiseks. Ta järeldas, et kõige lihtsamad aatomimasinad, nagu näiteks plokk, kang või ratas, ei ole füüsikaseadustega vastuolus, kuid nende valmistamine on äärmiselt keeruline.
Nanotehnoloogia on paljude aastate jooksul unarusse vajunud - lihtsalt sellepärast, et tollane tehnoloogia ei võimaldanud üksikute aatomitega manipuleerida. Kuid 1981. aastal toimus läbimurre - füüsikud Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer Zürichi IBMi laborist leiutasid skaneeriva tunneldusmikroskoobi, mis võitis neile hiljem füüsika Nobeli preemia.
Teadlased suutsid ühtäkki saada hämmastavaid "pilte" üksikutest aatomitest, mis on ühendatud struktuurideks - täpselt samasugused, nagu tavaliselt kujutatakse keemiaraamatutes; korraga pidasid aatomiteooria kriitikud seda võimatuks. Nüüd oli võimalik saada suurepäraseid fotosid aatomitest, mis on ritta paigutatud kristalli või metalli õiges struktuuris. Keemilisi valemeid, millega teadlased üritasid molekuli keerukat struktuuri kajastada, võis nüüd näha palja silmaga. Lisaks võimaldas skaneeriv tunnelmikroskoop manipuleerida üksikute aatomitega. Avastajad panid üksikutest aatomitest välja tähed IBM, mis tekitasid teadusmaailmas tõelise sensatsiooni. Teadlased pole üksikute aatomite maailmas enam pimedad; nad said aatomeid näha ja nendega töötada.
Skaneeriva tunnelmikroskoobi tööpõhimõte on petlikult lihtne. Nii nagu gramofon skaneerib nõelaga ketast, läbib see mikroskoop aeglaselt terava sondi uuritava aine kohal. (Selle sondi ots on nii terav, et see lõpeb ühe aatomiga.) Sond kannab nõrka elektrilaengut; elektrivool voolab selle otsast läbi uuritava materjali juhtivast pinnast selle all. Kui sond läbib iga üksiku aatomi, muutub vool veidi; voolu muutused registreeritakse hoolikalt. Voolu tõus ja langus, kui nõel läbib aatomi väga täpselt ja kajastab üksikasjalikult selle kontuuri. Olles töötanud ja graafilisel kujul esitanud andmed paljude läbipääsude praeguste kõikumiste kohta, saate ilusa pildi üksikutest aatomitest, mis moodustavad ruumilise võre.
(Skaneeriv tunnelmikroskoop võib eksisteerida tänu kummalisele kvantfüüsika seadusele. Tavaliselt ei ole elektronidel piisavalt energiat, et liikuda sondi tipust substraadini läbi ainekihi. Kuid on olemas - määramatuse põhimõtte kohaselt - väike võimalus, et elektronid "tunnevad", s.o. See tähendab, et nad läbivad tõkke, ehkki see on vastuolus Newtoni teooriaga. Seetõttu on materjali läbiv vool selles tundlik peenete kvantmõjude suhtes. Hiljem peatun pikemalt kvantteooria tagajärgedel.)
Lisaks on mikroskoobi sond piisavalt tundlik, et liigutada üksikuid aatomeid ja ehitada neist lihtsaid "masinaid". Praegu on see tehnoloogia nii arenenud, et näete arvutiekraanil aatomirühma ja lihtsalt kursorit liigutades saab üksikuid aatomeid meelevaldselt liigutada. Kümnete aatomitega saab manipuleerida sama lihtsalt kui Lego tellistega. Saate mitte ainult aatomitest tähti välja panna, vaid ka luua mänguasju, näiteks abacus, kus noad on aatomitest kokku pandud. Selleks paigutatakse aatomid vertikaalsete soontega varustatud pinnale. Sfäärilised fulreenid (üksikutest süsinikuaatomitest koosnevad jalgpallipallid) sisestatakse soontesse. Need söepallid toimivad aatomikontode luudena, liikudes nende soontest üles ja alla.
Aatomiseadmeid saate lõigata ka elektronkiirtega. Näiteks nikerdasid Cornelli ülikooli teadlased kristalsest ränist maailma väikseima kitarri, mille suurus on 20 korda väiksem kui juuksekarva paksus. Kitarril on kuus, aatomipaksu paksust stringi, mida saab aatomjõumikroskoobi abil tõmmata. (Kitarr mängib tõepoolest muusikat, kuid selle tekitatud sagedused ületavad inimkõrva kuuldavuse.)
Tänapäeval on peaaegu kõik "nanomajad" lihtsalt mänguasjad. Keerulisemaid käikude ja laagritega masinaid pole veel vaja luua. Kuid paljud insenerid on kindlad, et päris aatomimasinate aeg on käes. (Looduses on sellised masinad olemas. Üksrakulised organismid suudavad pisikeste karvade liikumise tõttu vees hõljuda. Kui aga hoolikalt kaaluda juuste ja raku vahelist seost, saab selgeks, et just aatomimasin võimaldab juustel suvaliselt igas suunas liikuda. Seetõttu on nanotehnoloogia arendamise üks viise.) on looduse kopeerimine, mis õppis aatomimasinate tootmist miljardeid aastaid tagasi.)
Hologrammid ja nähtamatus
Teine viis inimese mõnevõrra nähtamatuks muutmiseks on pildistada tema taga olev vaade ja seejärel projitseerida see pilt otse inimese rõivastele või mingile ekraanile tema ees. Eestvaates vaadates tundub, et inimene on muutunud läbipaistvaks ja valgus läbib kuidagi tema keha.
Seda protsessi, mida nimetatakse "optiliseks varjamiseks", on tõsiselt jälginud eriti Tokyo ülikooli Tachi laboris tegutsev Naoki Kawakami. Ta ütles: "Seda tehnoloogiat võiks kasutada pilootide nägemiseks lennuraja läbi kokpiti põranda või autojuhtide pargimisel ringi vaadata." Kawakami vaip on kaetud pisikeste helkurhelmestega, mis käituvad nagu filmiekraan. Tagantpoolt toimuvat filmitakse videokaameraga. Seejärel läheb see pilt videoprojektorisse, mis omakorda projitseerib selle ees olevale klatšile. Näib, et valgus tungib inimesse läbi ja läbi.
Optilise kamuflaažisüsteemiga vihmamantlite prototüübid on laboris juba loodud. Kui vaatate otse eestvaates sellises varjatud inimesele, tundub, et ta kaob, sest näete ainult pilti taga toimuvast. Kuid kui teie ja teie silmad natuke liigutate ja pilt klotsil jääb samaks, saab selgeks, et see on lihtsalt petmine. Realistlikumas optilises varjamissüsteemis on vaja luua kolmemõõtmelise pildi illusioon. Selleks on vaja hologramme.
Hologramm on laserite loodud 3D-pilt (mõelge Printsess Leida 3D-pildile Tähesõdades). Saate muuta inimese nähtamatuks, pildistades spetsiaalset holograafilist kaamerat kasutades tema taga olevat tausta ja taasluues seda tema ees oleval spetsiaalsel holograafilisel ekraanil. Vaatleja näeb tema ees holograafilist ekraani, millel on pilt kõigest, mis tegelikult on ees, välja arvatud inimene. Näib, justkui oleks inimene lihtsalt kadunud. Selle asemele saab täpse 3D-pildi taustast. Isegi pärast kolimist ei saa te aru, et teie ees on võltsing.
Selliste kolmemõõtmeliste piltide loomine on võimalik laservalguse "sidususe" tõttu, s.o. asjaolu, et selles esinevad elektromagnetilised võnkumised toimuvad rangelt üksteisest mööda. Hologrammi ehitamiseks jagatakse koherentne laserkiir kaheks osaks. Üks pool on suunatud fotofilmile, teine - samale fotofilmile, kuid pärast objektilt peegeldamist. Kui tala kaks poolt segavad, ilmub filmile interferentsmuster, mis sisaldab kogu teavet originaalse kolmemõõtmelise tala kohta. Arendusjärgne film ei tundu kuigi paljulubav - sellel on nähtav ainult arusaamatute joonte ja lokkide veeb. Kuid kui lasete sellest filmist läbi laserkiire, ilmub õhku täpselt täpne kolmemõõtmeline koopia, justkui maagia abil.
Sellegipoolest tekitab holograafiline nähtamatus teadlastele väga tõsiseid probleeme. Üks neist on holograafilise kaamera loomine, mis suudab teha vähemalt 30 pilti sekundis. Teine võimalus on kogu selle teabe säilitamine ja töötlemine. Lõpuks peate pildi ekraanile projitseerima, et see näeks realistlik.
Nähtamatus läbi neljanda mõõtme
Mainida tuleks veel ühte, palju kavalamat nähtamatuks saamise viisi, nagu on H. G Wellsi romaanis „Nähtamatu mees“visandanud. See meetod hõlmab neljanda mõõtme võimaluste kasutamist. (Hiljem räägin selles raamatus lähemalt kõrgemate mõõtmete võimalikust olemasolust.) Kas inimene võib lahkuda meie kolmemõõtmelisest universumist ja hõljuda selle kohal neljandas dimensioonis, jälgides, mis toimub küljelt? Nagu kahemõõtmelise paberilehe kohal lehvimas kolmemõõtmeline liblikas, oleks selline inimene nähtamatu kõigile allpool asuva universumi elanikele. Ainus probleem on see, et kõrgemate mõõtmete olemasolu pole veel tõestatud. Lisaks sellele eeldaks hüpoteetiline teekond ühte neist dimensioonidest palju rohkem energiat kui meil on praegu oma praeguse tehnika taseme juures. Kui me räägime reaalsetest viisidest nähtamatuse saavutamiseks, siis ilmselgelt ületab see meetod kaugelt meie praegused teadmised ja võimalused.
Arvestades nähtamatuse saavutamisel juba tehtud tohutut edu, arvan, et võime selle ohutult klassifitseerida I klassi võimatuseks. Ühte või teist laadi nähtamatus võib järgmise paari aastakümne jooksul muutuda tavaliseks, vähemalt sajandi lõpuks.
