I Star Trek IV: The Voyage Home fångar företagets besättning en Klingon-kampcruiser. Till skillnad från fartygen från Federation Starfleet, är fartygen i Klingon Empire utrustade med en hemlig "cloaking device" som kan göra dem osynliga för ögat och radar. Denna enhet gör det möjligt för Klingon-fartyg att bli obemärkt vid Federationsfartygens svans och slå utan straff. Tack vare cloaking-enheten har Klingon Empire en strategisk fördel jämfört med Federation of Planets.
Är en sådan enhet verkligen möjlig? Osynlighet har länge blivit ett av de vanliga underverken i sci-fi- och fantasiverk - från "The Invisible Man" till den magiska osynlighetskappan av Harry Potter eller ringen från "The Lord of the Rings". I minst hundra år har fysiker emellertid enhälligt förnekat möjligheten att skapa osynlighetskroppar och har entydigt sagt att detta är omöjligt: kappor, säger de, bryter mot optikens lagar och håller inte med någon av de kända egenskaperna hos materien.
Men idag kan det omöjliga bli möjligt. Framstegen inom området "metamaterial" tvingar en betydande översyn av läroböcker för optik. Arbetande prover av sådant material som skapats i laboratoriet är av stort intresse för media, industriister och militären. alla är intresserade av hur man gör det synliga osynligt.
Osynlighet i historien
Osynlighet är kanske ett av de äldsta begreppen i antik mytologi. Sedan tidens början kände en man, ensam i nattens skrämmande tystnad, närvaron av osynliga varelser och var rädd för dem. Runt honom i mörkret lurade de dödas andar - själarna hos dem som hade gått före honom. Den grekiska hjälten Perseus, beväpnad med en osynlig hjälm, lyckades döda den onda gorgon Medusa. Generals av alla tider drömde om en cloaking enhet som skulle tillåta dem att bli osynliga för fienden. Med hjälp av osynlighet kan man lätt tränga in i fiendens försvarslinje och överraska honom. Kriminella kan använda osynlighet för att begå vågiga rån.
I Platons teori om etik och moral spelade osynlighet en viktig roll. I sitt filosofiska verk "The State" berättade Platon om myten om Giga-ringen. I denna myt går den fattiga men ärliga herden Gigus av Lydia in i en hemlig grotta och finner en grav där; han ser en guldring på likets finger. Gig upptäcker vidare att ringen har magiska krafter och kan göra den osynlig. Den stackars herden är bokstavligen full av kraften som ringen har gett honom. Efter att ha kommit in i det kungliga palatset förför Gigus drottningen med en ring, och sedan med hennes hjälp dödar han kungen och blir nästa kung av Lydia.
Moralen som Platon drar från denna berättelse är att ingen person kan motstå frestelsen att ta någon annans och döda med straffrihet. Människor är svaga och moral är ett socialt fenomen som måste implanteras och stöttas från utsidan. Offentligt kan en person följa moraliska standarder för att se anständigt och ärligt och behålla sitt eget rykte, men när du ger honom möjligheten att bli osynlig kommer han inte att kunna motstå och kommer säkert att använda sin nya kraft. (Vissa tror att denna moraliska liknelse inspirerade JRR Tolkien till att skapa Ringenes trilogi; ringen som gör dess ägare osynlig är också en källa till ondska.)
Kampanjvideo:
Inom science fiction är osynlighet en av de vanligaste plottdrivarna. I serierna på 1930-talet. "Flash Gordon" Flash blir osynlig att gömma sig från skottgruppen för den skurkiga Ming the Ruthless. I romanerna och filmerna om Harry Potter kan huvudpersonen, som sätter på sig en magisk kappa, vandra runt Hogwarts slott obemärkt.
H. G. Wells, i den klassiska romanen The Invisible Man, har förkroppsligat ungefär samma idéer i konkret form. I denna roman upptäcker en medicinsk student av misstag möjligheterna till den fjärde dimensionen och blir osynlig. Tyvärr använder han de erhållna fantastiska möjligheterna för personlig vinst, begår en hel serie småbrott och dör så småningom i ett desperat försök att fly från polisen.
Maxwells ekvationer och ljusets mysterium
Fysiker har fått någon tydlig förståelse av lagarna för optik relativt nyligen till följd av arbetet med skotaren James Clerk Maxwell, en av fysikens jättar under 1800-talet. På ett sätt var Maxwell den motsatta mot Faraday. Om Faraday hade en utmärkt känsla av experimenteraren, men inte hade någon formell utbildning, var hans samtida Maxwell en mästare i högre matematik. Han avslutade sin utbildning i matematisk fysik med utmärkelser vid Cambridge, där Isaac Newton arbetade två århundraden före honom.
Newton uppfann differentiell beräkning - den beskriver på språket för differentiella ekvationer hur objekt kontinuerligt genomgår oändligt små förändringar i tid och rum. Rörelsen av havsvågor, vätskor, gaser och kanonkulor kan alla beskrivas i termer av differentiella ekvationer. Maxwell började arbeta med ett tydligt mål i åtanke: att uttrycka Faradays revolutionära upptäckter och hans fysiska fält med exakta differentiella ekvationer.
Maxwell började med Faradays påstående att elektriska fält kan förvandlas till magnetiska och vice versa. Han tog bilder av fysiska fält ritade av Faraday och skrev dem på det exakta språket för differentiella ekvationer. Som ett resultat erhölls ett av de viktigaste systemen för ekvationer i modern vetenskap. Detta är ett system med åtta differentiella ekvationer av en ganska läskig typ. Varje fysiker och ingenjör i världen var tvungen att svettas över dem på en gång och behärska elektromagnetismen vid institutet.
Sedan ställde Maxwell sig en ödesdigert fråga: om ett magnetfält kan förvandlas till ett elektriskt fält och vice versa, vad händer om de ständigt förändras från en till en annan i en oändlig serie transformationer? Maxwell upptäckte att ett sådant elektromagnetiskt fält skulle generera en havliknande våg. Han beräknade rörelsens hastighet för sådana vågor och konstaterade till sin egen förvåning att den var lika med ljusets hastighet! 1864, efter att ha upptäckt detta faktum, skrev han profetiskt: "Denna hastighet är så nära ljusets hastighet att vi verkar ha all anledning att dra slutsatsen att ljuset självt är en elektromagnetisk störning."
Denna upptäckt blev kanske en av de största i mänsklighetens historia - ljusets hemlighet avslöjades äntligen! Maxwell insåg plötsligt att allt - glödet från sommarsoluppgången och de rasande strålarna från den solnedgången och regnbågens bländande färger och stjärnorna på natthimlen - kan beskrivas med vågor, som han avslappnat avbildade på ett papper. Idag förstår vi att hela det elektromagnetiska spektrumet: radarsignaler, mikrovågsstrålning och tv-vågor, infrarött, synligt och ultraviolett ljus, röntgenstrålar och gammastrålar är inget annat än maxwelliskt vatten; och dessa representerar i sin tur vibrationerna i Faradays fysiska fält.
När han talade om betydelsen av Maxwells ekvationer, skrev Einstein att detta är "den mest djupgående och fruktbara saken som fysiken har upplevt sedan Newtons tid."
(Tragiskt nog dog Maxwell, en av 1800-talets största fysiker, tillräckligt ung, 48 år gammal, av magcancer - förmodligen samma sjukdom som dödade sin mor i den åldern. Om han levde längre kan han ha lyckats skulle upptäcka att hans ekvationer tillät rymdtid att förvrängas, vilket direkt ledde till Einsteins relativitetsteori Idén att om Maxwell hade levt längre och relativitetsteorin kunde ha dykt upp under det amerikanska inbördeskriget är chockerande för kärnan.)
Maxwells teori om ljus och atomteorin om materiens struktur ger optik och osynlighet en enkel förklaring. I ett fast ämne är atomer tätt packade medan avståndet mellan molekyler i vätska eller gas är mycket större. De flesta fasta partiklar är ogenomskinliga, eftersom ljusstrålar inte kan passera genom en tät mängd atomer, som fungerar som en tegelvägg. Många vätskor och gaser är å andra sidan transparenta, eftersom det är lättare för ljus att passera mellan sällsynta atomer, vars avstånd är större än våglängden för synligt ljus. Till exempel är vatten, alkohol, ammoniak, aceton, väteperoxid, bensin och andra vätskor transparenta, liksom transparenta och gaser som syre, väte, kväve, koldioxid, metan, etc.
Det finns flera viktiga undantag från denna regel. Många kristaller är både solida och transparenta. Men atomerna i kristallen är belägna på platserna för ett vanligt rumsgitter och bildar regelbundna rader med lika stora mellanrum. Som ett resultat finns det alltid många vägar i kristallgitteret längs vilken en ljusstråle kan passera genom den. Även om atomerna i en kristall är packade inte mindre täta än i något annat fast ämne, kan ljus fortfarande penetrera det.
Under vissa omständigheter kan även ett fast föremål med atomer som är slumpmässigt fördelade bli transparent. För vissa material kan denna effekt uppnås genom att värma föremålet till en hög temperatur och sedan snabbt kyla det. Exempelvis är glas ett fast ämne som på grund av det slumpmässiga arrangemanget av atomer har många av egenskaperna hos en vätska. Vissa godisar kan också göras öppna på detta sätt.
Det är uppenbart att osynlighetens egenskap uppstår på atomnivå, enligt Maxwells ekvationer, och därför är det extremt svårt, om inte omöjligt, att reproducera den med konventionella metoder. För att göra Harry Potter osynlig måste den likvideras, kokas och förvandlas till ånga, kristalliseras, värmas upp och kylas - du måste hålla med om, någon av dessa åtgärder skulle vara mycket svårt även för en trollkarl.
Militären, som inte kunde bygga osynliga flygplan, försökte göra en enklare sak: de skapade stelteknologin, som gör flygplan osynliga för radar. Stelteknologi, baserad på Maxwells ekvationer, utför en serie tricks. Stele jet fighter är lätt att se med blotta ögat, men på fiendens radarskärm är dess bild ungefär lika stor som en stor fågel. (Steltekniken är i själva verket en kombination av flera helt olika knep. När det är möjligt ersätts fighterens konstruktionsmaterial av radartransparenta: istället för stål används olika plaster och hartser; flygsvinklar förändras, motorens munstycksdesign, etc. alla dessa trick kan göras till fiendens radarstråle som träffar planet,spridda i alla riktningar och inte återgå till den mottagande enheten. Men även med denna teknik blir kämpen inte helt osynlig; den avböjer och sprider radarstrålen så mycket som tekniskt möjligt.)
Metamaterial och osynlighet
Det kanske mest lovande av de senaste framstegen i osynlighet är ett exotiskt nytt material känt som "metamaterial"; Det är möjligt att han en dag kommer att göra föremål faktiskt osynliga. Det är roligt, men en gång ansågs förekomsten av metamaterial också vara omöjlig, eftersom de bryter mot optikens lagar. Men 2006 vederlagde forskare från Duke University i Durham, North Carolina och Imperial College London framgångsrikt denna konventionella visdom och gjorde objektet osynligt för mikrovågsstrålning med metamaterial. Det finns fortfarande tillräckligt med hinder på denna väg, men för första gången i historien har mänskligheten en teknik som gör det möjligt att göra vanliga föremål osynliga. (Denna forskning finansierades av DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency.)
Nathan Myhrvold, före detta chefsteknolog på Microsoft, hävdar att den revolutionära kraften hos metamaterial "kommer att förändra det sätt på vilket vi närmar oss optik och nästan alla aspekter av elektronik … Vissa av metamaterialen kan feats som skulle ha verkat som mirakel för decennier sedan."
Vad är metamaterial? Dessa är ämnen med optiska egenskaper som inte finns i naturen. När metamaterial skapas är små implantat inbäddade i materia, vilket tvingar elektromagnetiska vågor att ta icke-standardvägar. Vid Duke University har forskare satt in många små elektriska kretsar i kopparband som ligger i platta koncentriska cirklar (alla lite som en kokplatta). Resultatet är en komplex struktur tillverkad av keramik, teflon, kompositfibrer och metallkomponenter. Små implantat som finns i koppar gör det möjligt att avleda mikrovågsstrålning och rikta den längs en förutbestämd väg. Föreställ dig en flod som flyter runt en stenblock. Vattnet vänder runt stenen mycket snabbtdärför påverkar dess närvaro nedströms inte på något sätt och det är omöjligt att avslöja det. På samma sätt kan metamaterial kontinuerligt ändra rutten för mikrovågor så att de flyter runt, till exempel, en viss cylinder och därmed göra allt inuti denna cylinder osynlig för radiovågor. Om metamaterialet också kan eliminera alla reflektioner och skuggor, blir objektet helt osynligt för denna form av strålning.
Forskare har framgångsrikt demonstrerat denna princip med en anordning som består av tio glasfiberringar täckta med kopparelement. Kopparringen inuti enheten var nästan osynlig för mikrovågsstrålning; det kastar bara en svag skugga.
De ovanliga egenskaperna hos metamaterial är baserade på deras förmåga att kontrollera en parameter som kallas "brytningsindex". Brytning - ljusets egenskap att ändra utbredningsriktningen när man passerar genom ett transparent material. Om du lägger handen i vatten eller bara tittar genom linserna på dina glasögon, kommer du att märka att vatten och glas avleder och snedvrider banan för vanliga ljusstrålar.
Anledningen till avböjningen av en ljusstråle i glas eller vatten är att ljuset bromsar när det kommer in i ett tätt transparent material. Ljushastigheten i ett idealiskt vakuum är konstant, men i glas eller vatten "pressar" ljuset genom ett kluster av biljoner atomer och bromsar därför ned. (Förhållandet mellan ljusets hastighet i ett vakuum och ljusets hastighet i ett medium kallas brytningsindex. Eftersom ljus bromsar i vilket medium som helst är brytningsindexet alltid större än ett.) Till exempel är brytningsindexet för ett vakuum 1,00; för luft -1.0003; för glas-1,5; för en diamant-2,4. Som regel, desto tätare medium, desto mer avböjer den ljusstrålen och följaktligen desto högre brytningsindex.
Mirages kan fungera som en mycket tydlig demonstration av fenomen som är förknippade med brytning. Om du, kör längs motorvägen på en varm dag, tittar rakt fram vid horisonten, så kommer vägen att tycka att du skimrar på platser och skapar en illusion av en glittrande vattenyta. I öknen kan du ibland se konturerna från avlägsna städer och berg i horisonten. Detta händer eftersom luften uppvärmd över vägbotten eller öken sand har en lägre densitet och följaktligen ett lägre brytningsindex än den omgivande vanliga, kallare luften; därför kan ljus från avlägsna föremål brytas i ett upphettat luftlager och sedan komma in i ögat; detta ger dig en illusion att du verkligen ser avlägsna föremål.
Som regel är brytningsindexet ett konstant värde. En smal ljusstråle som tränger igenom glaset ändrar riktning och fortsätter sedan att röra sig i en rak linje. Men antag ett ögonblick att vi kan kontrollera brytningsindexet så att det vid varje punkt av glaset ständigt kan förändras på ett visst sätt, ljus, som rör sig i ett sådant nytt material, kan ändra riktning godtyckligt; strålens väg i denna miljö skulle slingra som en orm.
Om det var möjligt att kontrollera brytningsindexet i ett metamaterial så att ljuset böjs runt ett visst objekt, kommer detta objekt att bli osynligt. För att få en sådan effekt måste brytningsindexet i ett metamaterial vara negativt, men alla läroböcker om optik säger att detta är omöjligt, (Metamaterial förutsågs först teoretiskt i arbetet hos den sovjetiska fysikern Viktor Veselago 1967. Det var Veselago som visade att dessa material måste ha så ovanliga optiska egenskaper som negativt brytningsindex och den omvända Doppler-effekten. Metamaterial verkar så konstigt och till och med absurt att till en början deras praktiska implementering ansågs helt enkelt som omöjlig. Men under de senaste åren erhölls fortfarande metamaterial i laboratoriet, vilket tvingade fysiker att börja skriva om läroböcker om optik.)
Forskare som hanterar metamaterial irriteras ständigt av journalister med frågan: när kommer osynlighetskappor äntligen att dyka upp på marknaden? Svaret kan formuleras väldigt enkelt: inte snart.
David Smith från Duke University säger:”Reportrar ringer och tigger om åtminstone en tidsfrist. På hur många månader eller, säg, år kommer det att hända. De trycker, trycker och trycker, och i slutändan kan du inte tåla det och säga att det kanske om femton år. Och precis där - en tidningsrubrik, eller hur? Femton år innan Harry Potter kappa. Det är därför han nu vägrar att nämna några datum.
Fans av Harry Potter eller Star Trek kommer troligen att behöva vänta. Även om den verkliga osynlighetskappan inte längre strider mot de kända naturlagarna - och de flesta fysiker håller med om detta just nu - har forskare fortfarande många svåra tekniska hinder att övervinna innan denna teknik kan utvidgas till att arbeta med synligt ljus, inte bara mikrovågsugn strålning.
I det allmänna fallet ska dimensionerna hos de inre strukturerna inbäddade i metamaterialet vara mindre än strålningsvåglängden. Till exempel kan mikrovågor ha en våglängd i storleksordningen 3 cm, så om vi vill att metamaterialet ska böja mikrovågsbanan måste vi infoga implantat i det mindre än 3 cm. Men för att göra objektet osynligt för grönt ljus (med en våglängd på 500 nm), metamaterialet borde ha inbäddade strukturer endast cirka 50 nm långa. Men nanometer är redan en atomskala, och nanoteknologi krävs för att arbeta med sådana storlekar. (En nanometer är en miljarddels meter. En nanometer kan innehålla cirka fem atomer.) Kanske är detta nyckelproblemet vi måste möta när vi skapar en riktig osynlighetskappa. Att böja med vilje, som en orm, en ljusstråls väg,vi måste ändra enskilda atomer inom metamaterialet.
Metamaterial för synligt ljus
Så loppet började.
Omedelbart efter tillkännagivandet av mottagandet av de första metamaterialen i laboratoriet började feberaktivitet i detta område. Varannan månad hör vi om revolutionerande insikter och häpnadsväckande genombrott. Målet är klart: att skapa metamaterial med hjälp av nanoteknologi som inte bara böjer mikrovågor, utan också synligt ljus. Flera metoder har redan föreslagits, och alla verkar vara ganska lovande.
Ett av förslagen är att använda färdiga metoder, det vill säga att låna de använda teknikerna inom den mikroelektroniska industrin för produktion av metamaterial. Till exempel är miniatyriseringen av datorer baserad på tekniken för "fotolitografi"; det är också motorn för datorrevolutionen. Denna teknik gör det möjligt för ingenjörer att placera hundratals miljoner små transistorer på en kiselskiva på storleken på en miniatyrbild.
Datorns kraft fördubblas var 18: e månad (detta mönster kallas Moore's Law). Detta beror på det faktum att forskare med hjälp av ultraviolett strålning "etser" mer och mer små komponenter på kiselchips. Denna teknik liknar mycket processen med vilken ett mönster stencils på en färgglad T-shirt. (Datoringenjörer börjar med ett tunt underlag, på vilket de finaste skikten av olika material överlagras ovanpå. Därefter täcks underlaget med en plastmask som fungerar som en mall. Det komplexa mönstret av ledare, transistorer och datorkomponenter som utgör grunden för kretsschemat är för applicerad på masken. Arbetsstycket bestrålas med hårt UV-ljus, det vill säga utsatt för ultraviolett strålning med en mycket kort våglängd;denna strålning överför som sådan matrisen på matrisen till ett ljuskänsligt underlag. Därefter behandlas arbetsstycket med speciella gaser och syror, och matrisens komplexa mönster etsas på underlaget på de platser där det utsattes för ultraviolett strålning. Resultatet av denna process är en platta med hundratals miljoner små indragningar som bildar transistornas kretsar.) För närvarande är de minsta komponenterna som kan skapas med den beskrivna processen cirka 30 nm (eller cirka 150 atomer). Resultatet av denna process är en platta med hundratals miljoner små indragningar som bildar transistornas kretsar.) För närvarande är de minsta komponenterna som kan skapas med den beskrivna processen cirka 30 nm (eller cirka 150 atomer). Resultatet av denna process är en platta med hundratals miljoner små indragningar som bildar transistornas kretsar.) För närvarande är de minsta komponenterna som kan skapas med den beskrivna processen cirka 30 nm (eller cirka 150 atomer).
En anmärkningsvärd milstolpe på vägen till osynlighet var ett experiment som nyligen gjordes av en grupp forskare från Tyskland och det amerikanska energidepartementet, där processen för etsning av ett kiselsubstrat användes för att göra det första metamaterialet som kunde fungera i det synliga ljusområdet. I början av 2007 meddelade forskare att metamaterialet de skapade påverkade rött ljus. Det "omöjliga" genomfördes på förvånansvärt kort tid.
Fysiker Costas Sukulis från Ames Laboratory och Iowa State University, tillsammans med Stephan Linden, Martin Wegener och Gunnar Dolling från University of Karlsruhe i Tyskland, lyckades skapa ett metamaterial med ett brytningsindex på -0,6 för rött ljus med en våglängd på 780 nm. (Innan detta var världsrekordet för våglängden för strålning som "lindades" med ett metamaterial 1400 nm; detta är inte längre synligt, men infrarött ljus.)
Till att börja med tog forskarna ett glasskiva och applicerade ett tunt skikt av silver på det, sedan ett lager av magnesiumfluorid, sedan igen ett skikt av silver; sålunda erhölls en "sandwich" med fluor med en tjocklek av endast 100 nm. Forskarna använde sedan standard etsningsteknologi för att göra många små fyrkantiga hål i denna smörgås (bara 100 nm bred, mycket mindre än våglängden för rött ljus); resultatet är en gitterstruktur som påminner om ett fisknät. Sedan passerade de en stråle med rött ljus genom det resulterande materialet och mätte brytningsindexet, som var -0,6.
Författarna räknar med att den teknik som de uppfann kommer att hitta utbrett användning. Metamaterial "kan en dag leda till ett slags platt superlens som fungerar i det synliga spektrumet", säger Dr. Sukulis. "Detta objektiv gör att du kan få högre upplösning än traditionell teknik och skilja mellan detaljer som är betydligt mindre än ljusets våglängd." Uppenbarligen skulle en av de första tillämpningarna av en "superlens" vara att fotografera mikroskopiska objekt med en aldrig tidigare skådad tydlighet; vi kan prata om fotografering i en levande mänsklig cell eller om att diagnostisera fostrets sjukdomar i livmodern. Idealt kommer det att vara möjligt att fotografera komponenterna i en DNA-molekyl direkt utan användning av rå röntgenkristallografitekniker.
Hittills har forskare kunnat visa ett negativt brytningsindex endast för rött ljus. Men metoden måste utvecklas, och nästa steg är att skapa ett metamaterial som helt kan kretsa den röda strålen runt objektet, vilket gör det osynligt för rött ljus.
Ytterligare utveckling kan också förväntas inom området "fotoniska kristaller". Målet med fotonisk kristallteknik är att skapa ett chip som använder ljus istället för el för att bearbeta information. Tanken är att använda nanoteknologi för att etsa små komponenter på underlaget så att brytningsindexet förändras med varje komponent. Transistorer där ljus fungerar har många fördelar jämfört med elektroniska. Till exempel i fotoniska kristaller finns det mycket mindre värmeförlust. (Komplexa kiselchips genererar tillräckligt med värme för att steka ett ägg. Dessa chips måste kontinuerligt kylas för att förhindra att de misslyckas, vilket är mycket dyrt.)
Det är inte förvånande att tekniken för att producera fotoniska kristaller borde vara idealisk för metamaterial, eftersom båda teknologierna involverar manipulering av ljusets brytningsindex vid nanoskalan.
Osynlighet genom plasmonics
En annan grupp fysiker som inte ville överträffas av rivaler meddelade i mitten av 2007 skapandet av ett metamaterial som kan rotera synligt ljus, baserat på en helt annan teknik som kallas plasmonics. Fysikerna Henri Lesek, Jennifer Dionne och Harry Atwater från California Institute of Technology meddelade skapandet av ett metamaterial som har ett negativt brytningsindex för den mer komplexa blågröna regionen i det synliga spektrumet.
Syftet med plasmonics är att "pressa" ljus på detta sätt så att föremål kan manipuleras vid nanoskala, särskilt på metallytor. Anledningen till metallens elektriska ledningsförmåga ligger i det faktum att elektroner i metallatomer är svagt bundna till kärnan och fritt kan röra sig längs metallgallernas yta. Elektriciteten som går genom trådarna i ditt hem är ett jämnt flöde av dessa löst bundna elektroner över en metallyta. Men under vissa förhållanden, när en ljusstråle träffar en metallyta, kan elektroner vibrera i harmoni med ljuset. I detta fall visas vågliknande rörelser av elektroner på ytan av metallen (dessa vågor kallas plasmoner) i tid med svängningarna i det elektromagnetiska fältet ovanför metallen. Ännu viktigare kan dessa plasmoner "komprimeras" så att de har samma frekvens somsom den ursprungliga ljusstrålen (vilket betyder att de kommer att ha samma information), men en mycket kortare våglängd. I princip kan dessa komprimerade vågor pressas in i nanotrådar. Liksom med fotoniska kristaller är det ultimata målet med plasmonics att skapa datorchips som lyser, inte el.
En grupp på California Tech byggde sitt metamaterial med två lager av silver och ett kisel-kväveisolerande skikt (bara 50 nm tjockt) mellan dem. Detta lager fungerar som en "vågledare" som kan rikta plasmonvågor i önskad riktning. En laserstråle kommer in i enheten genom ett slitsnitt i metamaterialet; den passerar genom vågledaren och går sedan ut genom den andra slitsen. Om du analyserar vinklarna vid vilken en laserstråle böjs när man passerar genom ett metamaterial kan du bestämma att materialet har ett negativt brytningsindex för ljus med en viss våglängd.
Metamaterials framtid
Framstegen i studiet av metamaterial i framtiden kommer att påskyndas av det enkla skälet att det redan finns ett stort intresse för att skapa transistorer som arbetar på en ljusstråle istället för el. Därför kan vi anta att forskning inom osynlighetens fält kommer att kunna "driva upp en åktur", dvs dra nytta av resultaten som redan pågår för att skapa en ersättning för ett kiselchip med fotoniska kristaller och plasmonika. Redan idag investeras hundratals miljoner dollar i utvecklingen av en teknik utformad för att ersätta kiselchips, och forskning inom metamaterial kommer också att gynnas.
För närvarande görs nya stora upptäckter inom detta område med några månader, så det är inte förvånande att vissa fysiker förväntar sig att de första proverna av en verklig osynlighetsköld kommer att dyka upp i laboratoriet inom några decennier. Så vetenskapsmän är övertygade om att de kommer att kunna skapa metamaterial under de närmaste åren som kan göra ett objekt helt osynligt, åtminstone i två dimensioner, för synligt ljus med en viss frekvens. För att uppnå denna effekt kommer det att vara nödvändigt att införa små nanoimplantat i metamaterialet inte i vanliga rader, men i ett komplext mönster, så att ljuset som ett resultat böjer sig smidigt runt det dolda föremålet.
Därefter måste forskare uppfinna och skapa metamaterial som kan böja ljus i tre dimensioner, inte bara på plana tvådimensionella ytor. Fotolitografi är en beprövad teknik för att producera plana kiselkretsar; skapandet av tredimensionella metamaterial kräver åtminstone ett komplext arrangemang av flera platta diagram.
Efter det kommer forskare att lösa problemet med att skapa metamaterial som böjer ljuset inte av en frekvens, utan av flera - eller, till exempel, ett frekvensband. Detta är utan tvekan den svåraste uppgiften, eftersom alla de lilla implantat som hittills utvecklats endast avleder ljus med en exakt frekvens. Forskare kan behöva ta itu med flerlagrade metamaterial, där varje lager kommer att agera med en specifik frekvens. Det är inte klart vad lösningen på detta problem kommer att vara.
Men osynlighetens sköld, även efter att den slutligen skapats i laboratoriet, kanske inte alls är vad vi vill, troligen kommer det att vara en tung och svår anordning. Harry Potters kappa sys av ett tunt, mjukt tyg och gjorde alla som slog sig in i den osynliga. Men för att en sådan effekt ska vara möjlig måste brytningsindexet inuti vävnaden ständigt förändras på ett komplext sätt i enlighet med vävnadens vibrationer och personens rörelser. Detta är opraktiskt. Troligtvis kommer osynlighetskappan, åtminstone initialt, att vara en solid cylinder av metamaterial. I detta fall kan brytningsindexet inuti cylindern göras konstant. (I mer avancerade modeller kan det med tiden framstå flexibla metamaterial som kan böjas och samtidigt hålla ljuset i sig själva på rätt väg.som kommer att vara inne i "kappan" kommer att få viss rörelsefrihet.)
Osynlighetskölden har en nackdel, som redan upprepats påpekats: den som är inne kan inte se ut utan att bli synlig. Föreställ dig Harry Potter med bara synliga ögon; medan de verkar flyta genom luften i lämplig höjd. Eventuella ögonhål i osynlighetskappan skulle vara tydligt synliga från utsidan. Om du gör Harry Potter helt osynlig, måste han sitta blint och i fullständigt mörker under hans mantel. (En möjlig lösning på detta problem är två små glas framför ögonen. Dessa glasögon skulle fungera som "stråldelare"; de skulle klämma av sig och rikta en liten del av det ljus som faller på dem in i ögonen. skulle förbikoppla, göra personen osynlig inuti, men några, väldigt små,en del av det skulle separera och komma in i ögonen.)
Utan tvekan är hindren för osynlighet mycket allvarliga, men forskare och ingenjörer är optimistiska och tror att en osynlighetsköld av ett eller annat slag kan skapas inom de närmaste decennierna.
Osynlighet och nanoteknologi
Som jag redan nämnt kan nyckeln till osynlighet vara utvecklingen av nanoteknologi, dvs förmågan att manipulera strukturer med atomära (ungefär en miljarddels meter).
Nanoteknologins födelse kallas den berömda föreläsningen med den ironiska titeln "The botten är full av rymden", som gavs av Nobelpristagaren Richard Feynman inför American Physical Society 1959. I denna föreläsning talade han om hur de minsta maskinerna kan se ut i enlighet med de kända oss enligt fysikens lagar. Feynman insåg att storleken på maskiner skulle bli mindre och mindre tills de närmar sig storleken på en atom, och sedan kunde atomerna själva användas för att skapa nya maskiner. Han drog slutsatsen att de enklaste atommaskinerna som ett block, spak eller hjul inte strider mot fysikens lagar, men det kommer att vara extremt svårt att tillverka dem.
Under många år har nanoteknologi försvunnit i glömska - helt enkelt för att datidens teknik inte tillät manipulering av enskilda atomer. Men 1981 var det ett genombrott - fysikerna Gerd Binnig och Heinrich Rohrer från IBM-laboratoriet i Zürich uppfann skannatunnelmikroskopet, som senare vann dem Nobelpriset i fysik.
Forskare kunde plötsligt få fantastiska "bilder" av enskilda atomer kombinerade till strukturer - exakt samma som vanligtvis visas i böcker om kemi; en gång ansåg kritiker av atomteori detta omöjligt. Nu var det möjligt att få magnifika fotografier av atomer ordnade i rader i rätt struktur av en kristall eller metall. De kemiska formlerna som forskarna försökte återspegla molekylens komplexa struktur kunde nu ses med blotta ögat. Dessutom gjorde skannatunnelmikroskopet det möjligt att manipulera enskilda atomer. Upptäckarna lade fram bokstäverna från IBM från enskilda atomer, som gjorde en verklig sensation i den vetenskapliga världen. Forskare är inte längre blinda i enskilda atoms värld; de kunde se och arbeta med atomer.
Funktionsprincipen för ett skannatunnelmikroskop är bedrägligt enkelt. Precis som en grammofon skannar en skiva med en nål, passerar detta mikroskop långsamt en skarp sond över ämnet som studeras. (Spetsen på denna sond är så vass att den slutar i en enda atom.) Sonden har en svag elektrisk laddning; en elektrisk ström flyter från änden genom materialet som studeras till den ledande ytan under den. När sonden passerar över varje enskild atom förändras strömmen något; förändringar i nuvarande registreras noggrant. Strömmen stiger och faller när nålen passerar över atomen mycket exakt och i detalj återspeglar dess kontur. Efter att ha bearbetat och presenterat i grafisk form informationen om aktuella fluktuationer för ett stort antal pass, kan du få en vacker bild av enskilda atomer som bildar ett rumsligt gitter.
(Ett skannatunnelmikroskop kan existera tack vare en konstig kvantfysiklagstiftning. Vanligtvis har elektroner inte tillräckligt med energi för att resa från sondens spets till underlaget genom materielskiktet. Det vill säga de penetrerar barriären, även om detta strider mot Newtons teori. Det är därför strömmen som passerar genom materialet är så känslig för de subtila kvanteffekterna i det. Senare kommer jag att dölja mer konsekvenser av kvantteorin.)
Dessutom är mikroskopets sond tillräckligt känslig för att flytta enskilda atomer och bygga enkla "maskiner" från dem. För närvarande är denna teknik så avancerad att du kan se en grupp atomer på en datorskärm och genom att helt enkelt flytta markören, flytta enskilda atomer på ett godtyckligt sätt. Dussintals atomer kan manipuleras lika enkelt som Lego-tegelstenar. Du kan inte bara lägga ut bokstäver från atomer, utan också skapa leksaker, till exempel abacus, där knogar är monterade från enstaka atomer. För detta läggs atomerna ut på en yta utrustad med vertikala spår. Sfäriska fullerener ("fotbollar" bestående av enskilda kolatomer) införs i spåren. Dessa kolbollar fungerar som benen i atomräkenskaperna och rör sig upp och ner i sina spår.
Du kan också klippa atomapparater med elektronstrålar. Till exempel har forskare från Cornell University snitit ur kristallint kisel världens minsta gitarr, vars storlek är 20 gånger mindre än tjockleken på ett mänskligt hår. Gitarren har sex strängar, vardera hundra atomer tjocka, som kan dras med ett atomkraftsmikroskop. (Gitarren kommer verkligen att spela musik, men frekvenserna som den producerar är långt bortom det mänskliga öratets hörbarhet.)
Nuförtiden är nästan alla "nanomachines" bara leksaker. Mer komplexa maskiner med kugghjul och lager har ännu inte skapats. Men många ingenjörer är övertygade om att tiden för riktiga atommaskiner är på väg. (I naturen finns sådana maskiner. Encelliga organismer kan flyta fritt i vatten på grund av små hårstrån. Men om vi noggrant överväger kopplingen mellan ett hår och en cell blir det tydligt att det är atommaskinen som gör att ett hår kan röra sig godtyckligt i alla riktningar. Därför är ett av sätten att utveckla nanoteknologi är en kopiering av naturen, som behärskar produktionen av atommaskiner för miljarder år sedan.)
Hologram och osynlighet
Ett annat sätt att göra en person något osynlig är att fotografera utsikten bakom sig och sedan projicera den bilden direkt på personens kläder eller någon slags skärm framför honom. Om du tittar framifrån ser det ut som att personen har blivit transparent och ljuset på något sätt passerar genom hans kropp.
Denna process, känd som "optisk cloaking", har allvarligt bedrivits, särskilt av Naoki Kawakami från Tachi-laboratoriet vid universitetet i Tokyo. Han säger, "Den här tekniken kan användas för att hjälpa piloter att se banan genom cockpitgolvet eller för att hjälpa förarna att se sig när de parkeras." Kawakamis kappa är täckt av små reflekterande pärlor som fungerar som en filmskärm. Det som händer bakifrån är filmat med en videokamera. Denna bild går sedan till en videoprojektor, som i sin tur projicerar den på kappan framför. Det verkar som att ljuset penetrerar personen genom och genom.
Prototyper av regnrockar med ett optiskt kamouflagessystem har redan skapats i laboratoriet. Om du tittar direkt framifrån på en person i en sådan kappa verkar det som om han försvinner, för du ser bara en bild av vad som händer bakom. Men om du och med dig dina ögon rör dig lite och bilden på kappan förblir densamma kommer det att bli tydligt att detta bara är ett bedrag. I ett mer realistiskt optiskt cloaking-system kommer det att vara nödvändigt att skapa en illusion av en tredimensionell bild. Detta kommer att kräva hologram.
Ett hologram är en 3D-bild skapad av lasrar (tänk på 3D-bilden av Princess Leia i Star Wars). Du kan göra en person osynlig om du tar en bild av bakgrunden bakom honom med en speciell holografisk kamera och sedan återskapar den på en speciell holografisk skärm framför honom. Observatören kommer att se en holografisk skärm framför sig med en bild av allt som faktiskt är framme, med undantag för en person. Det ser ut som om personen just försvann. I stället kommer en exakt 3D-bild av bakgrunden. Även efter att du flyttat kommer du inte att kunna förstå att detta är ett falskt.
Skapandet av sådana tredimensionella bilder är möjligt på grund av laserljusets "koherens", dvs. det faktum att elektromagnetiska svängningar i den inträffar helt och hållet. För att bygga ett hologram delas en sammanhängande laserstråle i två delar. Den ena halvan riktas till den fotografiska filmen, den andra - till samma fotografiska film, men efter reflektion från objektet. När strålens två halvor stör varandra, visas ett interferensmönster på filmen, som innehåller all information om den ursprungliga tredimensionella strålen. Filmen efter utvecklingen ser inte mycket lovande ut - bara en webb av obegripliga linjer och lockar är synlig på den. Men om du passerar en laserstråle genom den här filmen visas en exakt tredimensionell kopia av föremålet i luften, som av magi.
Icke desto mindre utgör holografisk osynlighet mycket allvarliga problem för forskare. En av dem är skapandet av en holografisk kamera som kan ta minst 30 bilder per sekund. En annan är lagring och bearbetning av all denna information. Slutligen måste du projicera bilden på skärmen så att den ser realistisk ut.
Osynlighet genom den fjärde dimensionen
Ett annat, mycket listigare sätt att bli osynlig bör nämnas, som beskrivs av H. G. Wells i romanen The Invisible Man. Denna metod involverar användning av kapaciteten i den fjärde dimensionen. (Senare i den här boken kommer jag att prata mer om möjliga existens av högre dimensioner.) Kan en person lämna vårt tredimensionella universum och sväva över det i den fjärde dimensionen och observera vad som händer från sidan? Som en tredimensionell fjäril som fladdrar över ett tvådimensionellt pappersark, skulle en sådan person vara osynlig för alla invånare i universumet nedan. Det enda problemet är att förekomsten av högre dimensioner ännu inte har bevisats. Dessutom skulle en hypotetisk resa till en av dessa dimensioner kräva mycket mer energi än vi för närvarande har i vårt nuvarande toppmodern. Om vi talar om verkliga sätt att uppnå osynlighet, ligger den här metoden uppenbarligen långt bortom vår nuvarande kunskap och kapacitet.
Med tanke på de enorma framsteg som redan gjorts på vägen till osynlighet, tror jag att vi säkert kan klassificera det som en omöjlig klass I. Osynlighet av ett eller annat slag kan bli vanligt under de kommande decennierna, åtminstone i slutet av seklet.