Ve Star Trek IV: The Voyage Home posádka Enterprise zajímá klingonský bitevní křižník. Na rozdíl od lodí Federace Hvězdné flotily jsou lodě Klingonské říše vybaveny tajným „maskovacím zařízením“, které je činí neviditelným pro oko a radar. Toto zařízení umožňuje klingonským lodím bez povšimnutí za ocas lodí Federace a beztrestně zasáhnout. Díky maskovacímu zařízení má klingonská říše strategickou výhodu nad Federací planet.
Je takové zařízení skutečně možné? Neviditelnost se dlouho stala jedním z obvyklých zázraků sci-fi a fantasy děl - od "Neviditelného muže" po magický neviditelný plášť Harryho Pottera nebo prsten od "Pán prstenů". Fyzici však po dobu nejméně sta let jednomyslně popírají možnost vytvářet neviditelné pláště a jednoznačně prohlásili, že je to nemožné: pláště, říkají, porušují zákony optiky a nesouhlasí s některými známými vlastnostmi hmoty.
Ale dnes se nemožné stane možným. Pokroky v oblasti „metamateriálů“vedou k významné revizi učebnic optiky. Pracovní vzorky takových materiálů vytvořených v laboratoři jsou velmi zajímavé pro média, průmyslníky a armádu; všichni se zajímají o to, jak zviditelnit viditelné.
Neviditelnost v historii
Neviditelnost je snad jedním z nejstarších konceptů starověké mytologie. Od začátku času člověk, který zůstal v děsivém tichu noci sám, pocítil přítomnost neviditelných bytostí a bál se jich. Všude kolem něj v temnotě číhali duchové mrtvých - duše těch, kteří před ním šli. Řecký hrdina Perseus, vyzbrojený neviditelnou přilbou, dokázal zabít zlého gorgona Medusy. Generálové všech dob snili o maskovacím zařízení, které by jim umožnilo stát se neviditelným pro nepřítele. Pomocí neviditelnosti by člověk mohl snadno proniknout do nepřátelské obranné linie a překvapit ho. Zločinci mohli použít neviditelnost ke spáchání odvážných loupeží.
V Platónově teorii etiky a morálky hrála hlavní roli neviditelnost. Plato nám ve své filozofické práci „Stát“řekl mýtus o prstenci v Gize. V tomto mýtu vstoupí chudý, ale poctivý pastýř Gigus z Lydie do tajné jeskyně a najde tam hrobku; vidí na prstenu mrtvoly zlatý prsten. Gig dále zjistí, že prsten má magické schopnosti a může ho učinit neviditelným. Chudák pastýř je doslova opilý mocí, kterou mu prsten dal. Poté, co se dostal do královského paláce, svedl královnu prstenem, pak s její pomocí zabil krále a stal se dalším králem Lydie.
Morál, který Platón z tohoto příběhu vyvodil, spočívá v tom, že nikdo není schopen odolat pokušení vzít beztrestně zabít někoho jiného a zabít. Lidé jsou slabí a morálka je sociální jev, který musí být implantován a podporován zvenčí. Na veřejnosti může člověk dodržovat morální standardy, aby vypadal slušně a čestně a udržoval si svou pověst, ale pokud mu dáte příležitost stát se neviditelným, nebude schopen odolat a jistě využije svou novou moc. (Někteří věří, že toto morální podobenství inspirovalo trilogii JRR Tolkienova Pán prstenů; prsten, díky němuž je jeho majitel neviditelný, je také zdrojem zla.)
Propagační video:
Ve sci-fi je neviditelnost jednou z nejčastějších spiknutí. Ve 30. letech komiks. „Flash Gordon“Flash se stane neviditelným, aby se skryl před palebním oddílem darebáka Ming the Ruthless. V románech a filmech o Harrym Potterovi se hlavní postava, která si obléká kouzelný plášť, může bez povšimnutí potulovat kolem Bradavického hradu.
H. G. Wells, v klasickém románu Neviditelný muž, ztělesnil zhruba stejné myšlenky v konkrétní podobě. V tomto románu student medicíny náhodně objeví možnosti čtvrté dimenze a stane se neviditelným. Bohužel využívá získané fantastické příležitosti k osobnímu zisku, dopouští se celé řady drobných zločinů a nakonec zemře v zoufalém pokusu o útěk z policie.
Maxwellovy rovnice a tajemství světla
Fyzici získali relativně jasné porozumění optickým zákonům relativně nedávno v důsledku práce skotského Jamese Clerk Maxwella, jednoho z obrů fyziky v 19. století. V jistém smyslu byl Maxwell naprostým opakem Faradaye. Pokud Faraday měl vynikající smysl pro experimentátora, ale neměl žádné formální vzdělání, byl jeho současný Maxwell mistrem vyšší matematiky. Vystudoval matematickou fyziku s vyznamenáním v Cambridge, kde Isaac Newton pracoval dvě století před ním.
Newton vynalezl diferenciální počet - v jazyce diferenciálních rovnic popisuje, jak objekty neustále procházejí nekonečně malými změnami v čase a prostoru. Pohyb oceánských vln, kapalin, plynů a dělových koulí lze popsat pomocí diferenciálních rovnic. Maxwell začal pracovat s jasným cílem: vyjádřit Faradayovy revoluční objevy a jeho fyzikální pole pomocí přesných diferenciálních rovnic.
Maxwell začal Faradayovým tvrzením, že elektrická pole se mohou proměnit v magnetická a naopak. Fotografoval fyzikální pole nakreslená Faradayem a napsal je v přesném jazyce diferenciálních rovnic. V důsledku toho byl získán jeden z nejdůležitějších systémů rovnic v moderní vědě. Toto je systém osmi diferenciálních rovnic spíše strašidelného druhu. Každý fyzik a technik na světě se musel nad nimi potit najednou a zvládnout elektromagnetismus v ústavu.
Dále si Maxwell položil osudovou otázku: pokud se magnetické pole může proměnit v elektrické pole a naopak, co se stane, když se neustále mění z jednoho na druhé v nekonečné řadě transformací? Maxwell zjistil, že takové elektromagnetické pole vytvoří vlnu podobnou oceánu. Vypočítal rychlost pohybu takových vln a ke svému vlastnímu úžasu zjistil, že se rovná rychlosti světla! V roce 1864 poté, co tuto skutečnost objevil, prorockě napsal: „Tato rychlost je tak blízko rychlosti světla, že se zdá, že máme všechny důvody k závěru, že samotné světlo … je elektromagnetické rušení.“
Tento objev se snad stal jedním z největších v historii lidstva - tajemství světla bylo konečně odhaleno! Maxwell si najednou uvědomil, že všechno - záře letního slunce a zuřivé paprsky zapadajícího slunce a oslnivé barvy duhy a hvězdy na noční obloze - lze popsat pomocí vln, které náhodně zobrazoval na kousku papíru. Dnes chápeme, že celé elektromagnetické spektrum: radarové signály, mikrovlnné záření a televizní vlny, infračervené, viditelné a ultrafialové světlo, rentgenové a gama záření nejsou ničím jiným než Maxwellovou vodou; a tyto zase představují vibrace Faradayových fyzických polí.
Když mluvíme o významu Maxwellových rovnic, Einstein napsal, že je to „nejhlubší a nejplodnější věc, kterou fyzika zažila od doby Newtona“.
(Je tragické, že Maxwell, jeden z největších fyziků 19. století, zemřel dostatečně ve věku 48 let na rakovinu žaludku - pravděpodobně stejná nemoc, která v té době zabila jeho matku. by zjistil, že rovnice, které získal, umožňují zkreslení časoprostoru, a to by vedlo přímo k Einsteinově teorii relativity. Myšlenka, že Maxwell žil déle a teorie relativity se mohla objevit během americké občanské války, se otřásá jádrem.)
Maxwellova teorie světla a atomová teorie struktury hmoty dává optice a neviditelnosti jednoduché vysvětlení. V pevné látce jsou atomy pevně zabaleny, zatímco v kapalině nebo plynu je vzdálenost mezi molekulami mnohem větší. Většina pevných látek je neprůhledná, protože paprsky světla nemohou procházet hustou soustavou atomů, které působí jako cihlová zeď. Mnoho tekutin a plynů je naproti tomu průhledných, protože pro světlo je jednodušší průchod mezi vzácnými atomy, jejichž vzdálenost je větší než vlnová délka viditelného světla. Například voda, alkohol, amoniak, aceton, peroxid vodíku, benzín a další kapaliny jsou průhledné, stejně jako průhledné a plyny, jako je kyslík, vodík, dusík, oxid uhličitý, metan atd.
Z tohoto pravidla existuje několik důležitých výjimek. Mnoho krystalů je pevných i průhledných. Atomy v krystalu jsou však umístěny na místech pravidelné prostorové mříže a tvoří pravidelné řádky se stejnými intervaly mezi nimi. Výsledkem je, že v krystalové mřížce je vždy mnoho cest, kterými prochází paprsek světla. Proto, ačkoli atomy v krystalu jsou baleny ne méně hustě než v nějaké jiné pevné látce, světlo je stále schopné proniknout to.
Za určitých okolností může být průhledný dokonce i pevný objekt s náhodně rozloženými atomy. U některých materiálů lze tohoto účinku dosáhnout zahřátím předmětu na vysokou teplotu a jeho rychlým ochlazením. Například sklo je pevná látka, která má díky náhodnému uspořádání atomů mnoho vlastností kapaliny. Některé bonbóny mohou být také transparentní.
Vlastnost neviditelnosti se zjevně objevuje na atomové úrovni podle Maxwellových rovnic, a proto je velmi obtížné, ne-li nemožné, reprodukovat ji pomocí konvenčních metod. Aby byl Harry Potter neviditelný, musí být zlikvidován, uvařen a proměněn v páru, krystalizován, zahřát a ochlazen - musíte souhlasit, že každá z těchto akcí by byla i pro čaroděje velmi obtížná.
Armáda, která nedokázala postavit neviditelná letadla, se pokusila udělat jednodušší věc: vytvořili technologii stele, díky níž je letadlo neviditelné pro radary. Technologie Stele, založená na Maxwellových rovnicích, provádí řadu triků. Stele jet bojovník je snadno vidět pouhým okem, ale na nepřátelské radarové obrazovce, jeho obraz je zhruba velikost velkého ptáka. (Ve skutečnosti je technologie stele kombinací několika zcela odlišných triků. Kdykoli je to možné, jsou konstrukční materiály stíhače nahrazeny radarově průhlednými: místo oceli se používají různé plasty a pryskyřice; mění se trupové úhly; konstrukce trysek motoru atd. všechny tyto triky mohou způsobit, že nepřátelský radarový paprsek zasáhne letadlo,rozptylujte všemi směry a nevracejte se do přijímacího zařízení. Ale ani s touto technologií se bojovník nestane zcela neviditelným; pouze vychyluje a rozptyluje radarový paprsek, jak je to technicky možné.)
Metamateriály a neviditelnost
Snad nejslibnější nedávný pokrok v neviditelnosti je exotický nový materiál známý jako „metamateriál“; je možné, že jednoho dne bude objekty skutečně neviditelné. Je to zábavné, ale jednou byla existence metamateriálů považována za nemožnou, protože porušují zákony optiky. Ale v roce 2006 vědci z Duke University v Durhamu, Severní Karolíně a Imperial College London úspěšně vyvrátili tuto konvenční moudrost a učinili objekt neviditelným pro mikrovlnné záření pomocí metamateriálů. Na této cestě je stále dost překážek, ale lidstvo má poprvé v historii techniku, která umožňuje, aby byly obyčejné objekty neviditelné. (Tento výzkum byl financován agenturou DARPA, Agenturou pro obranu pokročilého výzkumu.)
Nathan Myhrvold, bývalý hlavní technolog společnosti Microsoft, tvrdí, že revoluční síla metamateriálů „úplně změní způsob, jakým přistupujeme k optice a téměř ke všem aspektům elektroniky … Některé metamateriály jsou schopny fungovat, které by se zdály jako zázraky před desítkami let“.
Co jsou metamateriály? Jedná se o látky s optickými vlastnostmi, které v přírodě neexistují. Když se vytvoří metamateriály, malé implantáty se vloží do hmoty, což nutí elektromagnetické vlny k tomu, aby se vydaly nestandardními cestami. Na Duke University vědci vložili mnoho malých elektrických obvodů do měděných pásek uložených v plochých soustředných kruzích (vše trochu jako varná deska). Výsledkem je složitá struktura z keramiky, teflonu, kompozitních vláken a kovových součástí. Drobné implantáty přítomné v mědi umožňují odklonit mikrovlnné záření a nasměrovat jej po předem stanovené cestě. Představte si řeku tekoucí kolem balvanu. Voda se velmi rychle otáčí kolem kamenejejí přítomnost na dolním toku tedy nijak neovlivňuje a je nemožné jej odhalit. Podobně jsou metamateriály schopné nepřetržitě měnit trasu mikrovlny tak, že proudí kolem, řekněme, určitého válce, a tak činí všechno uvnitř tohoto válce neviditelným pro rádiové vlny. Pokud metamateriál může také eliminovat všechny odrazy a stíny, objekt se stane pro tuto formu záření zcela neviditelným.
Vědci úspěšně prokázali tento princip pomocí zařízení složeného z deseti prstenců ze skleněných vláken pokrytých měděnými prvky. Měděný prstenec uvnitř zařízení byl téměř neviditelný pro mikrovlnné záření; jen vrhá slabý stín.
Neobvyklé vlastnosti metamateriálů jsou založeny na jejich schopnosti řídit parametr známý jako „index lomu“. Refrakce - vlastnost světla změnit směr šíření při průchodu průhledným materiálem. Pokud dáte ruku do vody nebo se jen podíváte skrz čočky vašich brýlí, všimnete si, že voda a sklo se vychýlí a zkreslí cestu běžných světelných paprsků.
Důvod vychýlení světelného paprsku ve skle nebo ve vodě je ten, že se světlo zpomaluje, když vstupuje do hustého průhledného materiálu. Rychlost světla v ideálním vakuu je konstantní, ale ve skle nebo vodě světlo „stlačuje“shluk bilionů atomů, a proto se zpomaluje. (Poměr rychlosti světla ve vakuu k rychlosti světla v médiu se nazývá index lomu. Protože světlo v jakémkoli médiu zpomaluje, index lomu je vždy větší než jeden.) Například index lomu pro vakuum je 1,00; pro vzduch -1 0003; pro sklo-1,5; pro diamant-2.4. Čím je médium hustší, tím více vychyluje světelný paprsek a tím vyšší index lomu.
Zázraky mohou sloužit jako velmi jasná demonstrace jevů spojených s lomem. Pokud se při jízdě po dálnici v horkém dni díváte přímo dopředu na obzoru, pak se vám zdá, že se vám na místech třpytí a vytvoří se iluze šumivé vodní hladiny. V poušti můžete někdy vidět obrysy vzdálených měst a hor na obzoru. To se děje proto, že vzduch zahřátý nad silnicí nebo pouštním pískem má nižší hustotu a v důsledku toho nižší index lomu než okolní normální chladnější vzduch; proto může být světlo ze vzdálených předmětů lomeno ve zahřáté vrstvě vzduchu a poté vstoupit do oka; to vám dává iluzi, že opravdu vidíte vzdálené objekty.
Index lomu je zpravidla konstantní hodnota. Úzký paprsek světla, pronikající do skla, mění směr a pak se pohybuje v přímé linii. Ale na chvíli předpokládejme, že jsme schopni řídit index lomu tak, aby se v každém bodě skla mohla neustále měnit daným způsobem, Světlo, pohybující se v takovém novém materiálu, by mohlo libovolně měnit směr; cesta paprsku v tomto prostředí by meandrovala jako had.
Pokud by bylo možné kontrolovat index lomu v metamateriálu tak, aby se světlo ohýbalo kolem určitého objektu, stane se tento objekt neviditelným. K dosažení takového účinku musí být index lomu v metamateriálu záporný, ale jakákoli učebnice optiky říká, že je to nemožné, (Metamateriály byly poprvé teoreticky předpovězeny v práci sovětského fyzika Viktora Veselaga v roce 1967. Bylo to Veselago, kdo ukázal, že tyto materiály musí mít takové neobvyklé optické vlastnosti jako negativní index lomu a inverzní Dopplerův efekt. jejich praktická implementace byla považována za jednoduše nemožnou. V posledních několika letech však byly v laboratoři získány metamateriály, což nutilo fyziky začít přepisovat učebnice o optice.)
Vědci, kteří se zabývají meta materiály, jsou novináři neustále otráveni otázkou: Kdy se na trhu konečně objeví neviditelné pláště? Odpověď může být formulována velmi jednoduše: ne brzy.
David Smith z Duke University říká: „Reportéři volají a prosí alespoň o termín. Za kolik měsíců nebo, řekněme, let se to stane. Stisknou, stisknou a stisknou a nakonec to nedokážete vydržet a říkají to možná za patnáct let. A tady - novinový titulek, že? Patnáct let před pláštěm Harryho Pottera. “Proto nyní odmítá pojmenovat žádná data.
Fanoušci Harryho Pottera nebo Star Trek budou pravděpodobně muset počkat. Ačkoli skutečný plášť neviditelnosti již není v rozporu se známými přírodními zákony - jak s tím většina fyziků nyní souhlasí - stále existuje mnoho obtížných technických překážek, než je možné tuto technologii rozšířit na práci s viditelným světlem, nejen s mikrovlnnou troubou záření.
Obecně by rozměry vnitřních struktur zabudovaných do metamateriálu měly být menší než vlnová délka záření. Například mikrovlny mohou mít vlnovou délku řádově 3 cm, takže pokud chceme, aby metamateriál ohnul cestu mikrovlny, musíme do něj vložit implantáty menší než 3 cm. Aby byl objekt neviditelný pro zelené světlo (s vlnovou délkou 500 nm), metamateriál by měl mít zabudované struktury pouze asi 50 nm dlouhé. Ale nanometry jsou již atomové měřítko a pro práci s takovými rozměry je zapotřebí nanotechnologie. (Nanometr je jedna miliardtina metru. Jeden nanometr může pojmout asi pět atomů.) Možná je to klíčový problém, kterému budeme muset čelit při vytváření skutečného neviditelného pláště. Chcete-li se ohýbat, jako had, cestu světelného paprsku,museli bychom modifikovat jednotlivé atomy v metamateriálu.
Metamateriály pro viditelné světlo
Takže závod začal.
Bezprostředně po oznámení o přijetí prvních metamateriálů v laboratoři začala v této oblasti horečka. Každých několik měsíců slyšíme revoluční poznatky a překvapivé průlomy. Cíl je jasný: vytvořit metamateriály pomocí nanotechnologií, které mohou ohýbat nejen mikrovlny, ale také viditelné světlo. Bylo již navrženo několik přístupů a všechny se zdají být docela slibné.
Jedním z návrhů je použití hotových metod, tj. Půjčení použitých technologií mikroelektronického průmyslu pro výrobu metamateriálů. Například miniaturizace počítačů je založena na technologii „fotolitografie“; je to také motor počítačové revoluce. Tato technologie umožňuje technikům umístit stovky milionů malých tranzistorů na křemíkový plátek o velikosti miniatury.
Síla počítačů se zdvojnásobuje každých 18 měsíců (tento model se nazývá Mooreův zákon). Důvodem je skutečnost, že vědci s pomocí ultrafialového záření „leptají“stále více drobných složek na křemíkových čipech. Tato technologie je velmi podobná procesu, jímž je vzor na barevné tričko. (Počítačoví inženýři začínají tenkým substrátem, na který jsou navrstveny nejjemnější vrstvy různých materiálů. Poté je substrát potažen plastovou maskou, která působí jako šablona. Na masku je předem aplikován složitý vzor vodičů, tranzistorů a počítačových komponent, které tvoří základ schématu zapojení. Obrobek je ozářen tvrdým UV světlem to znamená, že je vystaveno ultrafialovému záření s velmi krátkou vlnovou délkou;toto záření, jak to bylo, přenáší vzorec matrice na substrát citlivý na světlo. Poté se obrobek ošetřuje speciálními plyny a kyselinami a složitá struktura matrice se leptá na substrát v místech, kde byl vystaven ultrafialovému záření. Výsledkem tohoto procesu je deska se stovkami milionů drobných prohlubní, které tvoří obvody tranzistorů.) V současné době jsou nejmenší komponenty, které mohou být vytvořeny popsaným procesem, asi 30 nm (nebo asi 150 atomů). Výsledkem tohoto procesu je deska se stovkami milionů drobných prohlubní, které tvoří obvody tranzistorů.) V současné době jsou nejmenší komponenty, které mohou být vytvořeny popsaným procesem, asi 30 nm (nebo asi 150 atomů). Výsledkem tohoto procesu je deska se stovkami milionů drobných prohlubní, které tvoří obvody tranzistorů.) V současné době jsou nejmenší komponenty, které mohou být vytvořeny popsaným procesem, asi 30 nm (nebo asi 150 atomů).
Pozoruhodný milník na cestě k neviditelnosti byl nedávný experiment skupiny vědců z Německa a amerického ministerstva energetiky, při kterém byl proces leptání křemíkového substrátu použit k tomu, aby první metamateriál byl schopen pracovat ve viditelném rozsahu světla. Na začátku roku 2007 vědci oznámili, že metamateriál, který vytvořili, ovlivňoval červené světlo. Tento „nemožný“byl realizován v překvapivě krátké době.
Fyzik Kostas Sukulis z Ames Laboratory a Iowa State University, spolu s Stephanem Lindenem, Martinem Wegenerem a Gunnarem Dollingem z University of Karlsruhe v Německu, dokázali vytvořit metamateriál s indexem lomu -0,6 pro červené světlo s vlnovou délkou 780 nm. (Před tím byl světový rekord pro vlnovou délku záření, které bylo „obaleno“metamateriálem, 1400 nm; to již není vidět, ale infračervené světlo.)
Vědci nejprve vzali sklenici a aplikovali na ni tenkou vrstvu stříbra, pak vrstvu fluoridu hořečnatého a potom znovu vrstvu stříbra; tak byl získán "sendvič" s fluoridem o tloušťce pouhých 100 nm. Vědci pak použili standardní technologii leptání, aby v tomto sendviči vytvořili mnoho malých čtvercových otvorů (šířka pouze 100 nm, mnohem menší než vlnová délka červeného světla); výsledkem je mřížová struktura připomínající rybářskou síť. Potom prošli paprskem červeného světla výsledným materiálem a změřili index lomu, který byl -0,6.
Autoři předpokládají, že technologie, kterou vynalezli, najdou široké uplatnění. Metamateriály „mohou jednoho dne vést k jakémukoli plochému superlenu, který funguje ve viditelném spektru,“říká Dr. Sukulis. „Tento objektiv vám umožní získat vyšší rozlišení než tradiční technologie a rozlišovat mezi detaily, které jsou výrazně menší než vlnová délka světla.“Je zřejmé, že jednou z prvních aplikací „superlenů“by bylo fotografování mikroskopických objektů s bezprecedentní čistotou; můžeme mluvit o fotografování uvnitř živé lidské buňky nebo o diagnostice chorob plodu v děloze. Ideálně bude možné fotografovat složky molekuly DNA přímo, bez použití technik surové rentgenové krystalografie.
Vědci dosud dokázali negativní index lomu pouze pro červené světlo. Metodu je však třeba rozvinout a dalším krokem je vytvoření metamateriálu, který by mohl zcela zakrýt červený paprsek kolem objektu, což by bylo pro červené světlo neviditelné.
Další vývoj lze očekávat také v oblasti "fotonických krystalů". Cílem technologie fotonických krystalů je vytvořit čip, který ke zpracování informací používá místo elektřiny světlo. Cílem je použít nanotechnologii k leptání drobných složek na substrát tak, aby se index lomu změnil s každou složkou. Tranzistory, ve kterých světlo funguje, mají oproti elektronickým mnoho výhod. Například ve fotonických krystalech dochází k mnohem menším ztrátám tepla. (Složité křemíkové čipy generují dostatek tepla k smažení vajíčka. Tyto čipy je třeba neustále chlazovat, aby nedošlo k jejich selhání, což je velmi drahé.)
Není překvapivé, že technologie pro výrobu fotonických krystalů by měla být ideální pro meta-materiály, protože obě technologie zahrnují manipulaci indexu lomu světla v nanoměřítku.
Neviditelnost pomocí plasmonů
Další skupina fyziků nechtěla být soupeřem překonána a v polovině roku 2007 oznámila vytvoření metamateriálu schopného otáčení viditelného světla založeného na úplně jiné technologii zvané plazmonics. Fyzici Henri Lesek, Jennifer Dionne a Harry Atwater z Kalifornského technologického institutu oznámili vytvoření metamateriálu, který má negativní index lomu pro složitější modrozelenou oblast viditelného spektra.
Účelem plasmoniky je „stlačit“světlo tímto způsobem, aby bylo možné manipulovat s předměty v nanoměřítku, zejména na kovových površích. Důvod elektrické vodivosti kovů spočívá ve skutečnosti, že elektrony v kovových atomech jsou slabě vázány na jádro a mohou se volně pohybovat po povrchu kovové mřížky. Elektrická energie procházející dráty ve vaší domácnosti je plynulým tokem těchto volně vázaných elektronů přes kovový povrch. Ale za určitých podmínek, když paprsek světla dopadne na kovový povrch, elektrony mohou vibrovat v souzvuku se světlem. V tomto případě se vlnové pohyby elektronů objevují na povrchu kovu (tyto vlny se nazývají plazmony) v čase s kmitáním elektromagnetického pole nad kovem. Ještě důležitější je, že tyto plazmony mohou být „komprimovány“tak, aby měly stejnou frekvenci jakojako původní světelný paprsek (což znamená, že budou mít stejné informace), ale mnohem kratší vlnovou délku. V zásadě mohou být tyto stlačené vlny vtlačeny do nanočástic. Stejně jako u fotonických krystalů je konečným cílem plazmmoniky vytváření počítačových čipů, které běží světlo, nikoli elektřinu.
Skupina v California Tech postavila svůj metamateriál se dvěma vrstvami stříbra a silikon-dusíkovou izolační vrstvou (jen 50 nm tlustou) mezi nimi. Tato vrstva funguje jako "vlnovod" schopný řídit vlny plasmonů v požadovaném směru. Laserový paprsek vstupuje do zařízení štěrbinovým řezem v metamateriálu; prochází vlnovodem a poté opouští druhou štěrbinu. Pokud analyzujete úhly, ve kterých je laserový paprsek ohnutý při průchodu metamateriálem, můžete určit, že materiál má negativní index lomu pro světlo s danou vlnovou délkou.
Budoucnost metamateriálů
Pokrok ve studiu metamateriálů v budoucnosti se zrychlí z jednoduchého důvodu, že již existuje velký zájem o vytvoření tranzistorů, které pracují na světelném paprsku místo elektřiny. Lze tedy předpokládat, že výzkum v oblasti neviditelnosti bude schopen „řídit projížďku“, tj. Využít výsledků již probíhajícího výzkumu k vytvoření náhrady za křemíkový čip pomocí fotonických krystalů a plazmonů. Již dnes jsou investovány do vývoje technologie určené k nahrazení křemíkových čipů stovky milionů dolarů, z čehož těží také výzkum v oblasti metamateriálů.
V současné době se v této oblasti objevují nové významné objevy každých několik měsíců, takže není překvapivé, že někteří fyzici očekávají, že se první vzorky skutečného štítu neviditelnosti objeví v laboratoři během několika desetiletí. Vědci jsou tedy přesvědčeni, že v příštích několika letech budou schopni vytvořit metamateriály, díky nimž bude objekt zcela neviditelný, alespoň ve dvou rozměrech, pro viditelné světlo jakékoli konkrétní frekvence. K dosažení tohoto efektu bude nutné zavést do nanomateriálů nepatrné nanoimplantáty nikoli v pravidelných řadách, ale ve složitých vzorcích, takže v důsledku toho se světlo plynule ohýbá kolem skrytého objektu.
Dále budou muset vědci vymyslet a vytvořit metamateriály, které mohou ohýbat světlo ve třech rozměrech, nejen na plochých dvourozměrných plochách. Fotolitografie je osvědčená technologie pro výrobu plochých křemíkových obvodů; vytvoření trojrozměrných metamateriálů bude vyžadovat alespoň komplexní uspořádání několika plochých diagramů.
Poté budou muset vědci vyřešit problém vytváření metamateriálů, které ohýbají světlo ne o jednu frekvenci, ale o několik - nebo, řekněme, pásmo frekvencí. Toto je pravděpodobně nejobtížnější úkol, protože všechny dosud vyvinuté drobné implantáty vychylují světlo pouze o jednu přesnou frekvenci. Vědci možná budou muset řešit vícevrstvé metamateriály, kde každá vrstva bude působit na jednu konkrétní frekvenci. Zatím není jasné, jaké bude řešení tohoto problému.
Štít neviditelnosti, i když byl konečně vytvořen v laboratoři, nemusí být vůbec tím, co chceme, s největší pravděpodobností to bude těžké a těžkopádné zařízení. Plášť Harryho Pottera byl šitý z tenké, měkké tkaniny a učinil každého, kdo se do něj zabalil, neviditelným. Aby však byl takový účinek možný, index lomu uvnitř tkáně se musí neustále měnit komplexním způsobem v souladu s vibracemi tkáně a pohyby osoby. To je nepraktické. Nejpravděpodobnější bude plášť neviditelnosti, alespoň zpočátku, pevný válec metamateriálu. V tomto případě může být index lomu uvnitř válce konstantní. (U vyspělejších modelů se v průběhu času mohou objevit flexibilní metamateriály, které se mohou ohýbat a současně udržet světlo uvnitř sebe na správné cestě.kdo bude uvnitř "pláště", získá určitou svobodu pohybu.)
Štít neviditelnosti má jednu nevýhodu, na kterou již bylo opakovaně poukázáno: ten, kdo je uvnitř, se nemůže dívat ven, aniž by byl viditelný. Představte si Harryho Pottera s viditelnými očima; zatímco se zdá, že vznášejí vzduchem ve vhodné výšce. Jakékoli oční otvory v neviditelném plášti by byly z vnějšku jasně viditelné. Pokud uděláte Harryho Pottera úplně neviditelným, bude muset sedět slepě a v naprosté tmě pod pláštěm. (Jedním z možných řešení tohoto problému by byly dvě malé skleničky před očima. Tyto brýle by fungovaly jako „rozdělovače paprsků“; svíraly by a nasměrovaly malou část světla dopadajícího na ně do očí. Většina světla dopadajícího na plášť však byla by se obešlo a učinilo by osobu neviditelnou uvnitř, ale některé, velmi malé,část by se oddělila a vnikla do očí.)
Překážky neviditelnosti jsou nepochybně velmi závažné, ale vědci a inženýři jsou optimističtí a věří, že během několika příštích desetiletí může být vytvořen nějaký neviditelný štít.
Neviditelnost a nanotechnologie
Jak jsem již zmínil, klíčem k neviditelnosti může být rozvoj nanotechnologií, tj. schopnost manipulovat se strukturami atomových velikostí (asi miliardtina metru).
Okamžik narození nanotechnologií se nazývá slavná přednáška s ironickým názvem „Na dně je plný prostoru“, který předal laureát Nobelovy ceny Richard Feynman před americkou fyzickou společností v roce 1959. V této přednášce hovořil o tom, jak mohou vypadat nejmenší stroje nás podle fyzikálních zákonů. Feynman si uvědomil, že velikost strojů se bude zmenšovat a zmenšovat, dokud se nepřiblíží k velikosti atomu, a pak samotné atomy by mohly být použity k vytvoření nových strojů. Dospěl k závěru, že nejjednodušší atomové stroje, jako je blok, páka nebo kolo, nejsou v rozporu s fyzikálními zákony, ale bude velmi obtížné je vyrobit.
Po mnoho let nanotechnologie mizla v zapomnění - jednoduše proto, že tehdejší technologie neumožňovala manipulaci s jednotlivými atomy. V roce 1981 však došlo k průlomu - fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer z laboratoře IBM v Curychu vynalezli skenovací tunelovací mikroskop, který jim později získal Nobelovu cenu za fyziku.
Vědci najednou dokázali získat úžasné „obrázky“jednotlivých atomů sloučené do struktur - přesně stejné, jaké obvykle ukazují knihy o chemii; najednou to považovali kritici atomové teorie za nemožné. Nyní bylo možné získat nádherné fotografie atomů uspořádaných do řad ve správné struktuře krystalu nebo kovu. Pouhým okem bylo nyní vidět chemické vzorce, se kterými se vědci snažili odrážet složitou strukturu molekuly. Navíc skenovací tunelovací mikroskop umožnil manipulovat s jednotlivými atomy. Objevitelé rozložili písmena IBM z jednotlivých atomů, což ve vědeckém světě vyvolalo skutečný pocit. Vědci již nejsou slepí ve světě jednotlivých atomů; byli schopni vidět a pracovat s atomy.
Princip fungování skenovacího tunelového mikroskopu je klamně jednoduchý. Stejně jako gramofon skenuje disk jehlou, tento mikroskop pomalu prochází ostrou sondou přes zkoumanou látku. (Špička této sondy je tak ostrá, že končí jediným atomem.) Sonda nese slabý elektrický náboj; elektrický proud teče z jeho konce studovaným materiálem na vodivý povrch pod ním. Když sonda přejde přes každý jednotlivý atom, proud se mírně mění; změny proudu jsou pečlivě zaznamenávány. Vzestupy a pády proudu, když jehla prochází přes atom velmi přesně a podrobně odrážejí jeho obrys. Zpracováním a prezentací grafických údajů o aktuálních fluktuacích velkého počtu průchodů získáte krásný obrázek jednotlivých atomů, které tvoří prostorovou mříž.
(Skenovací tunelovací mikroskop může existovat díky zvláštnímu zákonu kvantové fyziky. Elektrony obvykle nemají dostatek energie k tomu, aby se mohly pohybovat od špičky sondy k substrátu přes vrstvu hmoty. To znamená, že pronikají bariérou, i když je to v rozporu s Newtonovou teorií. Proto je proud, který prochází materiálem, tak citlivý na jemné kvantové efekty v něm. Později se podrobněji budu věnovat důsledkům kvantové teorie.)
Kromě toho je sonda mikroskopu dostatečně citlivá na to, aby přemístila jednotlivé atomy a vytvořila z nich jednoduché „stroje“. V současné době je tato technologie tak vyspělá, že na obrazovce počítače můžete vidět skupinu atomů a jednoduchým pohybem kurzoru libovolně pohybovat jednotlivými atomy. Desítky atomů lze manipulovat stejně snadno jako cihly Lego. Můžete nejen rozložit písmena z atomů, ale také vytvořit hračky, jako je například počítadlo, kde jsou klouby sestaveny z jednotlivých atomů. K tomu jsou atomy uspořádány na povrchu opatřeném svislými drážkami. Sférické fullereny („fotbalové míče“složené z jednotlivých atomů uhlíku) se vkládají do drážek. Tyto uhlíkové koule slouží jako kosti atomových účtů a pohybují se nahoru a dolů po svých drážkách.
Atomová zařízení můžete také řezat elektronovými paprsky. Například vědci z Cornell University vyřezali z krystalického křemíku nejmenší kytaru na světě, jejíž velikost je 20krát menší než tloušťka lidských vlasů. Kytara má šest strun, každý o sto atomů tlustých, které lze vytáhnout mikroskopem atomové síly. (Kytara bude skutečně hrát hudbu, ale frekvence, které produkuje, jsou daleko za slyšitelností lidského ucha.)
V dnešní době jsou téměř všechny „nanomachiny“jen hračky. Komplexnější stroje s převody a ložisky musí být dosud vytvořeny. Ale mnoho inženýrů je přesvědčeno, že čas na skutečné atomové stroje je na cestě. (V přírodě takové stroje existují. Jednobuněčné organismy jsou schopny volně plavat ve vodě kvůli pohybům drobných chloupků. Pokud ale pečlivě zvážíme spojení mezi vlasy a buňkou, je zřejmé, že je to atomový stroj, který umožňuje vlasům libovolně se pohybovat ve všech směrech. Jeden ze způsobů rozvoje nanotechnologií je kopií přírody, která zvládla výrobu atomových strojů před miliardami let.)
Hologramy a neviditelnost
Dalším způsobem, jak učinit člověka poněkud neviditelným, je vyfotografovat pohled za ním a poté promítnout tento obraz přímo na jeho oblečení nebo nějaký druh obrazovky před sebou. Když se podíváte zepředu, bude to vypadat, že se osoba stala průhlednou a světlo nějak prochází skrz jeho tělo.
Tento proces, známý jako „optické maskování“, byl vážně sledován zejména Naoki Kawakami z Tachi Laboratory na Tokijské univerzitě. Říká: „Tuto technologii lze použít k tomu, aby piloti mohli vidět přistávací dráhu přes podlahu v kokpitu nebo pomoci řidičům rozhlédnout se, když je zaparkováno. Kawakamiho plášť je pokryt malými reflexními korálky, které fungují jako filmová obrazovka. To, co se děje zezadu, je natočeno videokamerou. Tento obrázek pak přejde na videoprojektor, který jej zase promítne na plášť vpředu. Zdá se, že světlo proniká člověkem skrz a skrz.
V laboratoři již byly vytvořeny prototypy pláštěnek s optickým maskovacím systémem. Když se podíváte přímo zepředu na osobu v takovém plášti, zdá se, že zmizí, protože vidíte pouze obraz toho, co se děje za sebou. Pokud se ale vy a vaše oči trochu pohnete a obraz na plášti zůstává stejný, bude jasné, že se jedná pouze o podvod. V realističtějším optickém maskovacím systému bude nutné vytvořit iluzi trojrozměrného obrazu. To bude vyžadovat hologramy.
Hologram je 3D obraz vytvořený lasery (představte si 3D obraz princezny Leie ve Star Wars). Osobu můžete učinit neviditelnou, pokud vyfotíte pozadí za ním pomocí speciální holografické kamery a poté ji vytvoříte na speciální holografické obrazovce před sebou. Pozorovatel uvidí před sebou holografickou obrazovku s obrazem všeho, co je ve skutečnosti před ním, s výjimkou člověka. Vypadá to, jako by ten člověk právě zmizel. Na jeho místě bude přesný 3D obrázek pozadí. Ani po přestěhování nebudete schopni pochopit, že před vámi je falešná.
Vytvoření takových trojrozměrných obrazů je možné díky "koherenci" laserového světla, tj. skutečnost, že elektromagnetické oscilace v ní nastávají striktně v souzvuku. Pro vytvoření hologramu je koherentní laserový paprsek rozdělen na dvě části. Jedna polovina je zaměřena na fotografický film, druhá - na stejný fotografický film, ale po odrazu od objektu. Když dvě poloviny paprsku interferují, objeví se na filmu interferenční obrazec, který obsahuje všechny informace o původním trojrozměrném paprsku. Film po vývoji nevypadá příliš slibně - je na něm viditelná pouze síť nepochopitelných linií a kadeří. Pokud ale projdete laserovým paprskem tímto filmem, ve vzduchu se objeví přesná trojrozměrná kopie objektu, jako by kouzlem.
Přesto holografická neviditelnost představuje pro vědce velmi závažné problémy. Jedním z nich je vytvoření holografické kamery schopné pořizovat alespoň 30 snímků za sekundu. Dalším je ukládání a zpracování všech těchto informací. Nakonec budete muset promítat obraz na obrazovku tak, aby vypadal realisticky.
Neviditelnost prostřednictvím čtvrté dimenze
Je třeba zmínit další, mnohem chytřejší způsob, jak se stát neviditelným, jak nastínil H. G. Wells v románu Neviditelný muž. Tato metoda zahrnuje využití schopností čtvrté dimenze. (Později v této knize budu mluvit více o možné existenci vyšších dimenzí.) Může člověk opustit náš trojrozměrný vesmír a vznášet se nad ním ve čtvrté dimenzi, pozorovat, co se děje ze strany? Stejně jako trojrozměrný motýl, který se třepotal na dvourozměrném listu papíru, by taková osoba nebyla neviditelná pro žádné obyvatele vesmíru dole. Jediným problémem je, že existence vyšších dimenzí dosud nebyla prokázána. Hypotetická cesta do jedné z těchto dimenzí by navíc vyžadovala mnohem více energie, než jakou máme v současné době. Pokud mluvíme o skutečných způsobech, jak dosáhnout neviditelnosti, pak tato metoda zjevně leží daleko za našimi současnými znalostmi a schopnostmi.
Vzhledem k obrovskému pokroku, který již byl na cestě k neviditelnosti učiněn, si myslím, že jej můžeme bezpečně klasifikovat jako nemožnost třídy I. Neviditelnost jednoho nebo druhého druhu se může stát běžnou v příštích několika desetiletích, alespoň do konce století.