I Star Trek IV: The Voyage Home fanger Enterprise's besætning en Klingon-kampcruiser. I modsætning til skibene fra Federation Starfleet, er skibene fra Klingon Empire udstyret med en hemmelig "cloaking device", der kan gøre dem usynlige for øjet og radaren. Denne enhed gør det muligt for Klingon-skibe at gå upåagtet hen i halen til Federation-skibe og strejke med straffrihed. Takket være tilslutningsindretningen har Klingon Empire en strategisk fordel i forhold til Federation of Planets.
Er en sådan enhed faktisk mulig? Usynlighed er længe blevet et af de sædvanlige vidundere i sci-fi og fantasiverk - fra "The Invisible Man" til den magiske usynlighedskappe fra Harry Potter eller ringen fra "The Ringenes Herre". Ikke desto mindre har fysikere i mindst hundrede år enstemmigt benægtet muligheden for at skabe usynlighedsfrakker og har utvetydigt udtalt, at dette er umuligt: kapper, siger de, overtræder optikken og er ikke enige i nogen af de kendte egenskaber ved materien.
Men i dag kan det umulige blive muligt. Fremskridt inden for "metamaterialer" tvinger en betydelig revision af optik-lærebøger. Arbejdsprøver af sådanne materialer, der er oprettet i laboratoriet, er af stor interesse for medierne, industrielle og militæret; alle er interesseret i, hvordan man synliggør det synlige.
Usynlighed i historien
Usynlighed er måske et af de ældste begreber i den gamle mytologi. Siden tidens begyndelse følte en mand, der blev alene i nattens skræmmende stilhed, tilstedeværelsen af usynlige væsener og var bange for dem. Rundt omkring ham i mørket lurer de dødes ånd - sjæle fra dem, der var gået foran ham. Den græske helt Perseus, bevæbnet med en usynlig hjelm, formåede at dræbe den onde gorgon Medusa. Generaler i alle tider drømte om en tilslutningsindretning, der ville give dem mulighed for at blive usynlige for fjenden. Ved hjælp af usynlighed kunne man let trænge ind i fjendens forsvarslinje og overraske ham. Kriminelle kunne bruge usynlighed til at begå dristige røverier.
I Platons teori om etik og moral spillede usynlighed en vigtig rolle. I sit filosofiske værk "Staten" fortalte Platon os myten om Giga-ringen. I denne myte går den fattige, men ærlige hyrde Gigus fra Lydia ind i en hemmelig hule og finder en grav der; han ser en guldring på ligets finger. Gig opdager yderligere, at ringen har magiske kræfter og kan gøre den usynlig. Den fattige hyrde er bogstaveligt talt beruset af den magt, som ringen har givet ham. Da han er kommet ind i det kongelige palads, forfører Gigus dronningen med en ring, og derefter dræber han med hendes hjælp kongen og bliver den næste konge af Lydia.
Moralen, som Platon udledte fra denne historie, er, at ingen personer er i stand til at modstå fristelsen til at tage en andens og dræbe med straffrihed. Mennesker er svage, og moral er et socialt fænomen, der skal implanteres og understøttes udefra. Offentligt kan en person overholde moralske standarder for at se anstændig og ærlig ud og opretholde sit eget omdømme, men hvis du giver ham muligheden for at blive usynlig, vil han ikke være i stand til at modstå og vil bestemt bruge sin nye magt. (Nogle mener, at denne moralske lignelse inspirerede JRR Tolkiens Ringenes Lord-trilogien; ringen, der gør dens ejer usynlig, er også en kilde til ondskab.)
Salgsfremmende video:
Inden for science fiction er usynlighed et af de mest almindelige plot-drev. I 1930'erne komiske serier. "Flash Gordon" Flash bliver usynlig at skjule for skydeholdet af den skurkagtige Ming the Ruthless. I romanerne og filmene om Harry Potter kan hovedpersonen, der lægger en magisk kappe på, vandre ubemærket omkring Hogwarts Castle.
H. G. Wells har i den klassiske roman The Invisible Man legemliggjort de samme ideer i konkret form. I denne roman opdager en medicinsk studerende ved en fejltagelse mulighederne for den fjerde dimension og bliver usynlig. Desværre bruger han de opnåede fantastiske muligheder for personlig gevinst, begår en hel række småforbrydelser og dør til sidst i et desperat forsøg på at flygte fra politiet.
Maxwells ligninger og lysets mysterium
Fysikere har relativt nylig fået nogen klar forståelse af lovgivningen om optik som et resultat af skotten James Clerk Maxwells arbejde, en af fysikens giganter i det 19. århundrede. På en måde var Maxwell den modsatte af Faraday. Hvis Faraday havde en fremragende fornemmelse af eksperimentatoren, men ikke havde nogen formel uddannelse, var hans samtidige Maxwell en mester i højere matematik. Han afsluttede sin uddannelse i matematisk fysik med udmærkelser i Cambridge, hvor Isaac Newton arbejdede to århundreder før ham.
Newton opfandt differentieringsberegning - det beskriver på sprog i differentialligninger, hvordan objekter kontinuerligt gennemgår uendeligt små ændringer i tid og rum. Bevægelsen af havbølger, væsker, gasser og kanonkugler kan alle beskrives med hensyn til differentialligninger. Maxwell begyndte at arbejde med et klart mål for øje: at udtrykke Faradays revolutionære opdagelser og hans fysiske felter ved hjælp af præcise differentialligninger.
Maxwell begyndte med Faradays påstand om, at elektriske felter kan blive magnetiske og omvendt. Han tog billeder af fysiske felter tegnet af Faraday og skrev dem ned på det nøjagtige sprog af differentialligninger. Som et resultat opnåedes et af de vigtigste systemer for ligninger i moderne videnskab. Dette er et system med otte differentielle ligninger af en temmelig uhyggelig art. Enhver fysiker og ingeniør i verden måtte svede over dem på én gang og beherske elektromagnetisme på instituttet.
Derefter stillede Maxwell sig et skæbnesvangert spørgsmål: Hvis et magnetfelt kan forvandles til et elektrisk felt og omvendt, hvad sker der så, hvis de konstant skifter fra en til en anden i en uendelig række transformationer? Maxwell opdagede, at et sådant elektromagnetisk felt ville generere en oceanlignende bølge. Han beregnet hastigheden af sådanne bølger og til sin egen forbløffelse fandt han, at den var lig lysets hastighed! I 1864, efter at have opdaget dette, skrev han profetisk: "Denne hastighed er så tæt på lysets hastighed, at vi ser ud til at have al grund til at konkludere, at selve lyset … er en elektromagnetisk forstyrrelse."
Denne opdagelse blev måske en af de største i menneskehedens historie - lysets hemmelighed blev endelig afsløret! Maxwell blev pludselig klar over, at alting - glødet fra sommersolopgangen og de rasende stråler fra den nedgående sol og de blændende farver på regnbuen og stjernerne på nattehimlen - kan beskrives ved hjælp af bølger, som han tilfældigt skildrede på et stykke papir. I dag forstår vi, at hele det elektromagnetiske spektrum: radarsignaler, mikrobølgestråling og tv-bølger, infrarødt, synligt og ultraviolet lys, røntgenstråler og gammastråler ikke er andet end maxwellisk vand; og disse repræsenterer på sin side vibrationerne i Faradays fysiske felter.
Når han talte om betydningen af Maxwells ligninger, skrev Einstein, at dette er "den mest dybtgående og frugtbare ting, som fysik har oplevet siden Newtons tid."
(Tragisk nok døde Maxwell, en af de største fysikere i det 19. århundrede, ung nok i en alder af 48 af mavekræft - sandsynligvis den samme sygdom, der dræbte hans mor i den alder. Hvis han levede længere, kunne han have været succes ville opdage, at hans ligninger gjorde det muligt at forvrænge plads-tid, hvilket direkte førte til Einsteins relativitetsteori. Ideen om, at hvis Maxwell havde levet længere og relativitetsteorien kunne have dukket op under den amerikanske borgerkrig, er chokerende for kernen.)
Maxwells teori om lys og atomteorien om materiens struktur giver optik og usynlighed en simpel forklaring. I et fast stof er atomer tæt pakket, mens afstanden mellem molekyler i en væske eller gas er meget større. De fleste faste stoffer er uigennemsigtige, da lysstråler ikke kan passere gennem en tæt række af atomer, der fungerer som en murvæg. På den anden side er mange væsker og gasser gennemsigtige, fordi det er lettere for lys at passere mellem sjældne atomer, hvis afstand er større end bølgelængden for synligt lys. F.eks. Er vand, alkohol, ammoniak, acetone, hydrogenperoxid, benzin og andre væsker transparente, ligesom de er gennemsigtige, og gasser såsom ilt, brint, nitrogen, carbondioxid, methan osv.
Der er flere vigtige undtagelser fra denne regel. Mange krystaller er både faste og gennemsigtige. Men atomerne i krystallen er placeret på stederne for et regelmæssigt rumligt gitter og danner regelmæssige rækker med lige store mellemrum mellem dem. Som et resultat er der altid mange stier i krystalgitteret, langs hvilket en lysstråle kan passere gennem den. Selvom atomerne i en krystal er pakket ikke mindre tæt end i noget andet fast stof, er lys stadig i stand til at trænge ind i det.
Under visse omstændigheder kan selv et solidt objekt med tilfældigt fordelt atomer blive gennemsigtigt. For nogle materialer kan denne effekt opnås ved at opvarme genstanden til en høj temperatur og derefter hurtigt afkøle den. For eksempel er glas et fast stof, der på grund af det tilfældige arrangement af atomer har mange egenskaber ved en væske. Nogle slik kan også gøres gennemsigtige på denne måde.
Naturligvis opstår usynlighedsegenskaben på atomniveau i henhold til Maxwells ligninger, og det er derfor ekstremt vanskeligt, hvis ikke umuligt, at gengive den ved hjælp af konventionelle metoder. For at gøre Harry Potter usynlig, skal den likvideres, koges og omdannes til damp, krystalliseres, opvarmes og afkøles - du skal være enig, en af disse handlinger ville være meget vanskelige, selv for en troldmand.
Militæret, der ikke var i stand til at bygge usynlige fly, forsøgte at gøre en enklere ting: De skabte stelteknologien, der gør flyene usynlige for radarer. Stelteknologi, der er baseret på Maxwells ligninger, udfører en række tricks. Stele jet-jagerflyet er let at se med det blotte øje, men på fjendens radarskærm er dets billede stort set på størrelse med en stor fugl. (Stelteknologi er faktisk en kombination af flere helt forskellige tricks. Når det er muligt erstattes jagerens konstruktionsmaterialer med radar-gennemsigtige materialer: i stedet for stål bruges forskellige plastmaterialer og harpikser; skrogvinkler ændres, motorens dysedesign osv. alle disse tricks kan gøres til fjendens radarstråle, der rammer flyet,sprede i alle retninger og ikke vende tilbage til den modtagende enhed. Men selv med denne teknologi bliver fighter ikke helt usynlig; det afbøjer og spreder bare radarstrålen så meget som teknisk muligt.)
Metamaterialer og usynlighed
Den mest lovende af de seneste fremskridt inden for usynlighed er måske et eksotisk nyt materiale kendt som "metamateriale"; det er muligt, at han en dag vil gøre objekter faktisk usynlige. Det er sjovt, men engang blev eksistensen af metamaterialer også betragtet som umulig, da de overtræder optikken. Men i 2006 tilbageviste forskere fra Duke University i Durham, North Carolina og Imperial College London denne konventionelle visdom og gjorde objektet usynligt for mikrobølgestråling ved hjælp af metamaterialer. Der er stadig nok hindringer på denne vej, men for første gang i historien har menneskeheden en teknik, der gør det muligt at gøre almindelige objekter usynlige. (Denne forskning blev finansieret af DARPA, Defence Advanced Research Projects Agency.)
Nathan Myhrvold, tidligere chefteknolog hos Microsoft, hævder, at den revolutionerende magt af metamaterialer "fuldstændigt vil ændre den måde, vi nærmer os optik og næsten alle aspekter af elektronik … Nogle af metamaterialerne er i stand til feats, der ville have virket som mirakler for årtier siden."
Hvad er metamaterialer? Dette er stoffer med optiske egenskaber, der ikke findes i naturen. Når der oprettes metamaterialer, er små implantater indlejret i stof, hvilket tvinger elektromagnetiske bølger til at gå ikke-standardstier. På Duke University har forskere indsat mange små elektriske kredsløb i kobberbånd lagt i flade koncentriske cirkler (alt lidt som en kogeplade). Resultatet er en kompleks struktur lavet af keramik, teflon, kompositfibre og metalkomponenter. Små implantater, der findes i kobber, gør det muligt at afbøje mikrobølgestråling og dirigere den langs en forudbestemt sti. Forestil dig en flod, der flyder rundt om en sten. Vandet drejer meget hurtigt omkring stenenderfor påvirker dens tilstedeværelse nedstrøms på ingen måde, og det er umuligt at afsløre det. Ligeledes er metamaterialer i stand til kontinuerligt at ændre ruten til mikrobølger, så de flyder omkring, for eksempel, en bestemt cylinder og dermed gør alt inde i denne cylinder usynlig for radiobølger. Hvis metamaterialet også kan eliminere alle reflektioner og skygger, vil objektet blive helt usynligt for denne form for stråling.
Forskere har med succes demonstreret dette princip med en anordning sammensat af ti glasfiberringe dækket med kobberelementer. Kobberringen inde i enheden var næsten usynlig for mikrobølgestråling; det kaster kun en svag skygge.
De usædvanlige egenskaber ved metamaterialer er baseret på deres evne til at kontrollere en parameter kendt som "brydningsindeks". Brydning - lysets egenskab til at ændre udbredelsesretningen, når man passerer gennem et gennemsigtigt materiale. Hvis du lægger din hånd i vand eller bare kigger gennem linserne i dine briller, vil du bemærke, at vand og glas afbøjer og forvrænger stien for almindelige lysstråler.
Årsagen til afbøjning af en lysstråle i glas eller vand er, at lyset bremser, når det kommer ind i et tæt transparent materiale. Lysets hastighed i et ideelt vakuum er konstant, men i glas eller vand "presser" lyset gennem en klynge af billioner atomer og bremser derfor. (Forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i et medium kaldes brydningsindekset. Da lyset aftager i ethvert medium, er brydningsindekset altid større end et.) For eksempel er brydningsindekset for et vakuum 1,00; for luft -1.0003; til glas-1,5; for en diamant-2,4. Som regel, jo tættere medium, jo mere afbøjer den lysstrålen og følgelig, jo højere er brydningsindekset.
Mirages kan tjene som en meget klar demonstration af de fænomener, der er forbundet med brydning. Hvis du, der kører langs motorvejen på en varm dag, ser lige frem i horisonten, vil vejen se ud til at du skimrer steder og skaber illusionen af en glitrende vandoverflade. I ørkenen kan du undertiden se konturerne af fjerne byer og bjerge i horisonten. Dette sker, fordi luften opvarmet over vejbunden eller ørkenesand har en lavere densitet og følgelig et lavere brydningsindeks end den omgivende normale, køligere luft; derfor kan lys fra fjerne genstande brydes i et opvarmet lag af luft og derefter gå ind i øjet; dette giver dig en illusion om, at du virkelig ser fjerne objekter.
Som regel er brydningsindekset en konstant værdi. En smal lysstråle, der trænger ind i glasset, ændrer retning og fortsætter derefter med at bevæge sig i en lige linje. Men antag et øjeblik, at vi er i stand til at kontrollere brydningsindekset, så det på hvert punkt af glasset konstant kan ændre sig på en given måde, lys, der bevæger sig i et sådant nyt materiale, kan ændre retning vilkårligt; strålens sti i dette miljø ville slynge sig som en slange.
Hvis det var muligt at kontrollere brydningsindekset i et metamateriale, så lyset bøjes omkring et bestemt objekt, vil dette objekt blive usynligt. For at opnå en sådan effekt skal brydningsindekset i et metamateriale være negativt, men enhver lærebog om optik siger, at dette er umuligt, (Metamaterialer blev først forudsagt teoretisk i arbejdet af den sovjetiske fysiker Viktor Veselago i 1967. Det var Veselago, der viste, at disse materialer skal have så usædvanlige optiske egenskaber som negativt brydningsindeks og den omvendte Doppler-virkning. Metamaterialer synes så underlige og endda absurde, at det i starten deres praktiske implementering blev betragtet som umulig. Imidlertid er der i de sidste par år opnået metamaterialer i laboratoriet, som tvang fysikere til at begynde at omskrive lærebøger om optik.)
Forskere, der beskæftiger sig med metamaterialer, bliver konstant irriterede over journalister med spørgsmålet: hvornår vises usynlighedsmantler endelig på markedet? Svaret kan formuleres meget enkelt: ikke snart.
David Smith fra Duke University siger:”Journalister ringer og tigger om mindst en frist. I hvor mange måneder eller, siger, år, vil det ske. De trykker, trykker og trykker, og i sidste ende kan du ikke tåle det og sige det måske om femten år. Og lige der - en avisoverskrift, ikke? Femten år før Harry Potters kappe. Derfor nægter han nu at navngive datoer.
Fans af Harry Potter eller Star Trek bliver sandsynligvis nødt til at vente. Selvom den virkelige usynlighedskappe ikke længere er i modstrid med de kendte naturlove - som de fleste fysikere nu er enige i dette - er der stadig mange vanskelige tekniske hindringer at overvinde, før denne teknologi kan udvides til at arbejde med synligt lys og ikke kun med mikrobølgeovn stråling.
I det generelle tilfælde skal dimensionerne af de interne strukturer, der er indlejret i metamaterialet, være mindre end strålingsbølgelængden. For eksempel kan mikrobølger have en bølgelængde i størrelsesordenen 3 cm, så hvis vi ønsker, at metamaterialet skal bøje mikrobølgerens sti, skal vi indsætte implantater i det mindre end 3 cm. Men for at gøre objektet usynligt for grønt lys (med en bølgelængde på 500 nm), metamaterialet skulle have indlejrede strukturer kun ca. 50 nm langt. Men nanometre er allerede en atomskala, og nanoteknologi er påkrævet for at arbejde med sådanne størrelser. (En nanometer er en milliardedel af en meter. En nanometer kan indeholde omkring fem atomer.) Måske er dette det nøgleproblem, vi bliver nødt til at møde, når vi opretter en ægte usynlighedskappe. At bøje efter vilje, som en slange, en lysstråles sti,vi bliver nødt til at ændre individuelle atomer inden for metamaterialet.
Metamaterialer til synligt lys
Så løbet begyndte.
Umiddelbart efter meddelelsen om modtagelsen af de første metamaterialer i laboratoriet begyndte feberaktivitet i dette område. Hver par måneder hører vi om revolutionerende indsigt og overraskende gennembrud. Målet er klart: at skabe metamaterialer ved hjælp af nanoteknologi, der ikke kun kan bøje mikrobølger, men også synligt lys. Flere fremgangsmåder er allerede blevet foreslået, og alle synes at være ret lovende.
Et af forslagene er at bruge færdige metoder, det vil sige at låne de anvendte teknologier i den mikroelektroniske industri til produktion af metamaterialer. For eksempel er miniaturiseringen af computere baseret på teknologien "fotolitografi"; det er også motoren i computerrevolutionen. Denne teknologi giver ingeniører mulighed for at placere hundreder af millioner af små transistorer på en siliciumskive på størrelse med et miniaturebillede.
Kraften i computere fordobles hver 18. måned (dette mønster kaldes Moore's Law). Dette skyldes det faktum, at forskere ved hjælp af ultraviolet stråling "ætser" flere og flere små komponenter på siliciumchips. Denne teknologi ligner meget den proces, hvormed et mønster stenciles på en farverig T-shirt. (Computeringeniører starter med et tyndt underlag, hvorpå de fineste lag af forskellige materialer er lagt oven på. Derefter er underlaget dækket med en plastmaske, der fungerer som en skabelon. Det komplekse mønster af ledere, transistorer og computerkomponenter, der danner grundlaget for kredsløbsdiagrammet, er påført forinden på masken. Arbejdsstykket bestråles med hårdt UV-lys, dvs. udsat for ultraviolet stråling med en meget kort bølgelængde;denne stråling overfører som sådan matrixen af matrix til et lysfølsomt underlag. Derefter behandles emnet med specielle gasser og syrer, og matrixens komplekse mønster ætses på underlaget på de steder, hvor det blev udsat for ultraviolet stråling. Resultatet af denne proces er en plade med hundreder af millioner af små indrykk, der danner transistorenes kredsløb.) I øjeblikket er de mindste komponenter, der kan oprettes ved hjælp af den beskrevne proces, ca. 30 nm (eller ca. 150 atomer). Resultatet af denne proces er en plade med hundreder af millioner af små indrykk, der danner transistorenes kredsløb.) I øjeblikket er de mindste komponenter, der kan oprettes ved hjælp af den beskrevne proces, ca. 30 nm (eller ca. 150 atomer). Resultatet af denne proces er en plade med hundreder af millioner af små indrykk, der danner transistorenes kredsløb.) I øjeblikket er de mindste komponenter, der kan oprettes ved hjælp af den beskrevne proces, ca. 30 nm (eller ca. 150 atomer).
En bemærkelsesværdig milepæl på vejen mod usynlighed var et for nylig eksperiment fra en gruppe forskere fra Tyskland og det amerikanske energiministerium, hvor processen med ætsning af et siliciumsubstrat blev brugt til at gøre det første metamateriale, der var i stand til at fungere i det synlige lysområde. I begyndelsen af 2007 meddelte videnskabsmænd, at metamaterialet, de oprettede, havde indflydelse på rødt lys. Det "umulige" blev implementeret på en overraskende kort tid.
Fysiker Kostas Sukulis fra Ames Laboratory og Iowa State University sammen med Stephan Linden, Martin Wegener og Gunnar Dolling fra Karlsruhe University i Tyskland formåede at skabe et metamateriale med et brydningsindeks på -0,6 til rødt lys med en bølgelængde på 780 nm. (Før dette var verdensrekorden for bølgelængden af stråling, der var "pakket" med et metamateriale, 1400 nm; dette er ikke længere synligt, men infrarødt lys.)
Til at begynde med tog forskerne et ark glas og påførte et tyndt lag sølv på det, derefter et lag magnesiumfluorid og derefter igen et lag sølv; således opnåedes en "sandwich" med fluor med en tykkelse på kun 100 nm. Forskerne brugte derefter standard ætseteknologi til at fremstille mange små firkantede huller i denne sandwich (kun 100 nm bred, meget mindre end bølgelængden for rødt lys); resultatet er en gitterstruktur, der minder om et fiskenet. Derefter passerede de en stråle med rødt lys gennem det resulterende materiale og målte brydningsindeksen, som var -0,6.
Forfatterne forventer, at teknologien, de opfandt, vil finde udbredt anvendelse. Metamaterialer "kan en dag føre til en slags flade superlens, der fungerer i det synlige spektrum," siger Dr. Sukulis. "Denne linse giver dig mulighed for at få en højere opløsning end traditionel teknologi og skelne mellem detaljer, der er væsentligt mindre end lysets bølgelængde." Naturligvis ville en af de første anvendelser af en "superlens" være at fotografere mikroskopiske objekter med en hidtil uset klarhed; vi kan tale om at fotografere inde i en levende menneskelig celle eller om at diagnosticere fosterets sygdomme i livmoderen. Ideelt set vil det være muligt at fotografere komponenterne i et DNA-molekyle direkte uden anvendelse af rå røntgenkrystallografiteknikker.
Indtil videre har forskere kun kunnet demonstrere et negativt brydningsindeks for rødt lys. Men metoden skal udvikles, og det næste trin er at skabe et metamateriale, der fuldstændigt kan cirkle den røde stråle omkring objektet, hvilket gør det usynligt for rødt lys.
Yderligere udvikling kan også forventes inden for området "fotoniske krystaller". Målet med fotonisk krystallteknologi er at skabe en chip, der bruger lys i stedet for elektricitet til at behandle information. Tanken er at bruge nanoteknologi til at etse små komponenter på et underlag, så brydningsindekset ændres med hver komponent. Transistorer, hvor lys fungerer, har mange fordele frem for elektroniske. For eksempel er der i fotoniske krystaller meget mindre varmetab. (Komplekse siliciumchips genererer nok varme til at stege et æg. For at forhindre dem i at mislykkes, skal de afkøles kontinuerligt, hvilket er meget dyrt.)
Det er ikke overraskende, at teknologien til fremstilling af fotoniske krystaller skal være ideel til metamaterialer, da begge teknologier involverer manipulering af lysets brydningsindeks ved nanoskalaen.
Usynlighed gennem plasmonics
En anden gruppe fysikere annoncerede i midten af 2007 oprettelsen af et metamateriale, der var i stand til at rotere synligt lys, baseret på en helt anden teknologi kaldet plasmonics, da han ikke ønsker at blive overgået af rivaler. Fysikere Henri Lesek, Jennifer Dionne og Harry Atwater fra Californiens teknologiske institut annoncerede oprettelsen af et metamateriale, der har et negativt brydningsindeks for den mere komplekse blågrønne region i det synlige spektrum.
Formålet med plasmonics er at "klemme" lys på denne måde, så genstande kan manipuleres på nanoskalaen, især på metaloverflader. Årsagen til den elektriske ledningsevne af metaller ligger i det faktum, at elektroner i metalatomer er svagt bundet til kernen og frit kan bevæge sig langs overfladen af metalgitteret. Elektriciteten, der løber gennem ledningerne i dit hjem, er en jævn strøm af disse løst bundne elektroner over en metaloverflade. Men under visse betingelser, når en lysstråle rammer en metaloverflade, kan elektroner vibrere i unisont med lyset. I dette tilfælde vises bølgelignende bevægelser af elektroner på overfladen af metallet (disse bølger kaldes plasmoner) i tid med svingningerne i det elektromagnetiske felt over metallet. Mere vigtigt er, at disse plasmoner kan "komprimeres", så de har den samme frekvens somsom den originale lysstråle (hvilket betyder, at de vil bære den samme information), men en meget kortere bølgelængde. I princippet kan disse komprimerede bølger derefter presses ind i nanotrådene. Som med fotoniske krystaller er plasmonics ultimative mål at skabe computerchips, der kører lys, ikke elektricitet.
En gruppe på California Tech byggede deres metamateriale med to lag sølv og et silicium-nitrogenisolerende lag (kun 50 nm tyk) mellem dem. Dette lag fungerer som en "bølgeleder", der er i stand til at lede plasmonbølger i den ønskede retning. En laserstråle trænger ind i enheden gennem en spalteskæring i metamaterialet; den passerer gennem bølgelederen og går derefter gennem den anden spalte. Hvis du analyserer de vinkler, hvorpå en laserstråle bøjes, når den passerer gennem et metamateriale, kan du bestemme, at materialet har et negativt brydningsindeks for lys med en given bølgelængde.
Metamaterialers fremtid
Fremskridt med studiet af metamaterialer i fremtiden vil accelerere af den enkle grund, at der allerede er stor interesse i at skabe transistorer, der arbejder på en lysstråle i stedet for elektricitet. Derfor kan det antages, at forskning inden for usynlighedsfeltet vil være i stand til at "køre en tur", dvs. drage fordel af resultaterne af allerede igangværende forskning for at skabe en erstatning for en siliciumchip ved hjælp af fotoniske krystaller og plasmonika. Allerede i dag investeres hundreder af millioner af dollars i udviklingen af en teknologi designet til at erstatte siliciumchips, og forskning inden for metamaterialer vil også drage fordel.
I øjeblikket foretages der nye større opdagelser i dette område hvert par måneder, så det er ikke overraskende, at nogle fysikere forventer, at de første prøver af et ægte usynlighedsskjold vises i laboratoriet inden for et par årtier. Så videnskabsmænd er overbeviste om, at de vil være i stand til at skabe metamaterialer i de næste par år, der kan gøre et objekt helt usynligt, i det mindste i to dimensioner, til synligt lys med en bestemt frekvens. For at opnå denne effekt vil det være nødvendigt at introducere bittesmå nanoimplanter i metamaterialet ikke i regelmæssige rækker, men i et komplekst mønster, således at lyset som et resultat bøjes let rundt om det skjulte objekt.
Derefter bliver forskere nødt til at opfinde og skabe metamaterialer, der kan bøje lys i tre dimensioner, ikke kun på flade to-dimensionelle overflader. Fotolitografi er en gennemprøvet teknologi til fremstilling af flade siliciumkredsløb; oprettelse af tredimensionelle metamaterialer kræver mindst et komplekst arrangement af flere flade diagrammer.
Derefter bliver forskere nødt til at løse problemet med at skabe metamaterialer, der bøjer lys ikke af en frekvens, men af flere - eller, for eksempel, et frekvensbånd. Dette er uden tvivl den vanskeligste opgave, fordi alle de små implantater, der hidtil er udviklet, kun afbøjer lys med en nøjagtig frekvens. Forskere kan være nødt til at tackle flere lag metamaterialer, hvor hvert lag vil handle på en bestemt frekvens. Det er endnu ikke klart, hvad løsningen på dette problem vil være.
Men usynlighedens skjold, selv efter at den endelig er oprettet i laboratoriet, er måske slet ikke det, vi ønsker, mest sandsynligt, det vil være en tung og uhåndterlig enhed. Harry Potter's kappe blev syet af et tyndt, blødt stof og gjorde enhver, der pakket sig ind i det, usynlig. Men for at en sådan effekt skal være mulig, skal brydningsindekset inde i vævet konstant ændre sig på en kompleks måde i overensstemmelse med vævets vibrationer og personens bevægelser. Dette er upraktisk. Mest usandsynligt vil usynlighedskappen i det mindste indledningsvis være en solid cylinder af metamateriale. I dette tilfælde kan brydningsindekset inde i cylinderen gøres konstant. (I mere avancerede modeller kan der med tiden vises fleksible metamaterialer, der kan bøjes og samtidig holde lyset inde i sig selv på den rigtige vej.der vil være inde i "kappen" vil få en vis bevægelsesfrihed.)
Usynlighedsskjoldet har en ulempe, som allerede gentagne gange er blevet påpeget: Den, der er inde, kan ikke se ud uden at blive synlig. Forestil dig Harry Potter med kun hans øjne synlige; mens de ser ud til at flyde gennem luften i den passende højde. Eventuelle øjehuller i usynlighedskappen ville være tydeligt synligt udefra. Hvis du gør Harry Potter helt usynlig, bliver han nødt til at sidde blindt og i fuldstændigt mørke under hans kappe. (En mulig løsning på dette problem ville være to små briller foran øjnene. Disse briller ville fungere som "strålesplittere"; de ville klemme af og rette en lille del af det lys, der falder på dem, ind i øjnene. ville omgå, hvilket gør personen usynlig indeni, men nogle, meget små,en del af det ville adskille sig og komme ind i øjnene.)
Uden tvivl er hindringerne for usynlighed meget alvorlige, men videnskabsmænd og ingeniører er optimistiske og mener, at der kan oprettes et usynlighedsskjold af en eller anden slags i løbet af de næste par årtier.
Usynlighed og nanoteknologi
Som jeg allerede nævnte, kan nøglen til usynlighed være udviklingen af nanoteknologi, dvs. evnen til at manipulere strukturer med atomare (ca. en milliarddel meter overalt) størrelser.
Øjeblikket af fødselen af nanoteknologi kaldes det berømte foredrag med den ironiske titel "I bunden er fuld af plads", som blev leveret af nobelprisvinderen Richard Feynman før American Physical Society i 1959. I dette foredrag talte han om, hvordan de mindste maskiner kan se ud os efter fysikens love. Feynman indså, at maskinens størrelse ville blive mindre og mindre, indtil de nærmer sig størrelsen på et atom, og derefter kunne atomerne selv bruges til at oprette nye maskiner. Han konkluderede, at de enkleste atommaskiner som en blok, håndtag eller hjul ikke er i modstrid med fysikkens love, men det vil være ekstremt vanskeligt at fremstille dem.
I mange år er nanoteknologien forsvundet i glemmebogen - simpelthen fordi datidens teknologi ikke tillader manipulation af individuelle atomer. Men i 1981 skete der et gennembrud - fysikere Gerd Binnig og Heinrich Rohrer fra IBM-laboratoriet i Zürich opfandt det scannende tunnelmikroskop, som senere vandt dem Nobelprisen i fysik.
Forskere var pludselig i stand til at få fantastiske "billeder" af individuelle atomer kombineret i strukturer - nøjagtigt det samme som normalt afbildet i bøger om kemi; på én gang anså kritikere af atomteorien dette som umuligt. Nu var det muligt at få storslåede fotografier af atomer arrangeret i rækker i den korrekte struktur af en krystal eller metal. De kemiske formler, som forskerne forsøgte at reflektere molekylets komplekse struktur, kunne nu ses med det blotte øje. Desuden gjorde scannetunnelmikroskopet det muligt at manipulere individuelle atomer. Opdagerne lagde breve IBM fra individuelle atomer, der gjorde en reel sensation i den videnskabelige verden. Forskere er ikke længere blinde i de enkelte atoms verden; de var i stand til at se og arbejde med atomer.
Driftsprincippet for et scannetunnelmikroskop er vildledende enkelt. Ligesom en grammofon scanner en disk med en nål, passerer dette mikroskop langsomt en skarp sonde over stoffet, der undersøges. (Spidsen af denne sonde er så skarp, at den ender i et enkelt atom.) Proben har en svag elektrisk ladning; en elektrisk strøm strømmer fra sin ende gennem det undersøgte materiale til den ledende overflade under det. Når sonden passerer over hvert enkelt atom, ændrer strømmen sig lidt; ændringer i strøm registreres omhyggeligt. Strømmen stiger og falder, når nålen passerer atomet meget nøjagtigt og i detaljer afspejler dens kontur. Når du har behandlet og præsenteret i grafisk form dataene om aktuelle udsving for et stort antal passeringer, kan du få et smukt billede af individuelle atomer, der danner et rumligt gitter.
(Der kan eksistere et skannende tunnelmikroskop takket være en underlig kvantefysisk lov. Normalt har elektroner ikke nok energi til at bevæge sig fra spidsen af sonden til underlaget gennem materielaget. Men ifølge usikkerhedsprincippet er der en lille mulighed for, at elektroner "tunneler", dvs. Det vil sige, de trænger ind i barrieren, selvom dette er i modstrid med Newtons teori. Det er grunden til, at strømmen, der passerer gennem materialet, er så følsom over for de subtile kvanteeffekter i det. Senere vil jeg dvæle ved konsekvenserne af kvanteteorien mere detaljeret.)
Derudover er mikroskopets sonde følsom nok til at flytte individuelle atomer og bygge enkle "maskiner" ud fra dem. I øjeblikket er denne teknologi så avanceret, at du kan se en gruppe atomer på en computerskærm og ved blot at flytte markøren flytte individuelle atomer på en vilkårlig måde. Dusinvis af atomer kan manipuleres lige så let som Lego-klodser. Du kan ikke kun lægge bogstaver fra atomer, men også oprette legetøj, som for eksempel abacus, hvor knoker er samlet fra enkeltatomer. Til dette lægges atomerne på en overflade udstyret med lodrette riller. Sfæriske fullerener ("fodboldkugler" sammensat af individuelle carbonatomer) indsættes i rillerne. Disse kulstofkugler tjener som knoglerne i atomregnskaber og bevæger sig op og ned i deres riller.
Du kan også klippe atomare enheder med elektronstråler. For eksempel skåret forskere fra Cornell University ud af krystallinsk silicium verdens mindste guitar, hvis størrelse er 20 gange mindre end tykkelsen af et menneskehår. Guitaren har seks strenge, hver hundrede atomer tykke, der kan trækkes med et atomkraftmikroskop. (Guitaren spiller faktisk musik, men de frekvenser, den producerer, er langt ud over det menneskelige øres hørbarhed.)
I dag er næsten alle "nanomachines" bare legetøj. Mere komplekse maskiner med gear og lejer er endnu ikke oprettet. Men mange ingeniører er sikre på, at tiden for ægte atommaskiner er på vej. (I naturen findes sådanne maskiner. Enkelcelleorganismer er i stand til at flyde frit i vand på grund af bevægelser af små hår. Men hvis du nøje overvejer forbindelsen mellem et hår og en celle, bliver det klart, at det er atommaskinen, der tillader et hår at bevæge sig vilkårligt i alle retninger. Derfor er en af måderne til at udvikle nanoteknologi er en kopiering af naturen, der mestrer produktionen af atommaskiner for milliarder af år siden.)
Hologrammer og usynlighed
En anden måde at gøre en person lidt usynlig er at fotografere udsigten bag ham og derefter projicere dette billede direkte på personens tøj eller en slags skærm foran sig. Hvis du ser forfra, ser det ud til, at personen er blevet gennemsigtig, og lyset på en eller anden måde passerer gennem hans krop.
Denne proces, kendt som "optisk tilsløring", er blevet alvorligt forfulgt, især af Naoki Kawakami fra Tachi-laboratoriet ved University of Tokyo. Han siger, "Denne teknologi kan bruges til at hjælpe piloter med at se landingsbanen gennem cockpitgulvet eller til at hjælpe chauffører med at se sig om, når de parkeres." Kawakamis kappe er dækket af små reflekterende perler, der fungerer som en filmskærm. Hvad der sker bagfra, er filmet med et videokamera. Dette billede går derefter til en videoprojektor, der igen projicerer det på kappen foran. Det ser ud til, at lyset trænger ind gennem personen gennem og gennem.
Der er allerede oprettet prototyper af regnfrakker med et optisk kamuflagesystem i laboratoriet. Hvis du ser direkte forfra på en person i en sådan kappe, ser det ud til, at han forsvinder, fordi du kun ser et billede af, hvad der sker bagved. Men hvis du og med dig dine øjne bevæger dig lidt, og billedet på kappen forbliver det samme, vil det blive klart, at dette bare er et bedrag. I et mere realistisk optisk klædesystem er det nødvendigt at skabe illusionen af et tredimensionelt billede. Dette kræver hologrammer.
Et hologram er et 3D-billede oprettet af lasere (tænk på 3D-billedet af Prinsesse Leia i Star Wars). Du kan gøre en person usynlig, hvis du tager et billede af baggrunden bag ham ved hjælp af et specielt holografisk kamera og derefter genskaber det på en speciel holografisk skærm foran ham. Observatøren vil se en holografisk skærm foran sig med et billede af alt, hvad der faktisk er foran, med undtagelse af en person. Det ser ud som om personen lige forsvandt. I stedet vil der være et nøjagtigt 3D-billede af baggrunden. Selv efter at have flyttet, vil du ikke være i stand til at forstå, at der er en falsk foran dig.
Oprettelsen af sådanne tredimensionelle billeder er mulig på grund af "kohærensen" af laserlyset, dvs. det faktum, at elektromagnetiske svingninger i det sker strengt unisont. For at opbygge et hologram er en sammenhængende laserstråle opdelt i to dele. Den ene halvdel er rettet mod den fotografiske film, den anden - til den samme fotografiske film, men efter refleksion fra genstanden. Når de to halvdele af strålen griber ind, vises et interferensmønster på filmen, der indeholder al information om den originale tredimensionelle stråle. Filmen efter udvikling ser ikke særlig lovende ud - kun et web af uforståelige linjer og krøller er synlig på den. Men hvis du passerer en laserstråle gennem denne film, vises en nøjagtig tredimensionel kopi af genstanden i luften, som ved magi.
Ikke desto mindre udgør holografisk usynlighed meget alvorlige problemer for forskere. En af dem er oprettelsen af et holografisk kamera, der er i stand til at tage mindst 30 billeder i sekundet. En anden er opbevaring og behandling af alle disse oplysninger. Endelig skal du projicere billedet på skærmen, så det ser realistisk ud.
Usynlighed gennem den fjerde dimension
En anden, meget mere listig måde at blive usynlig skal nævnes, som skitseret af H. G. Wells i romanen The Invisible Man. Denne metode involverer anvendelse af kapaciteterne i den fjerde dimension. (Senere i denne bog vil jeg tale mere om den mulige eksistens af højere dimensioner.) Kan en person forlade vores tredimensionelle univers og svæve over det i den fjerde dimension og observere, hvad der sker fra siden? Som en tredimensionel sommerfugl, der flagrer over et todimensionalt ark papir, ville en sådan person være usynlig for enhver indbygger i universet nedenfor. Det eneste problem er, at eksistensen af højere dimensioner endnu ikke er blevet bevist. Derudover ville en hypotetisk rejse ind i en af disse dimensioner kræve meget mere energi, end vi i øjeblikket har i vores nuværende teknik. Hvis vi taler om reelle måder at opnå usynlighed, ligger denne metode åbenlyst langt ud over vores nuværende viden og evner.
I betragtning af de enorme fremskridt, der allerede er gjort på vejen til usynlighed, tror jeg, at vi med sikkerhed kan klassificere det som en klasse I umulighed. Usynlighed af den ene eller den anden art kan blive almindelig i de næste par årtier, i det mindste ved udgangen af århundrede.