Мичио Каку
Физика на невъзможното (4)

2. Невидимост

Не можеш да разчиташ на очите си, когато въображението ти не е съсредоточено.

Марк Твен

В „Стар Трек IV: Пътешествието към дома“ един клингонски боен кръстосвач е отвлечен от екипажа на „Ентърпрайс“. За разлика от междузвездните кораби на Федеративния междузвезден флот междузвездните кораби на Клингонската империя притежават секретно „прикриващо устройство“, което ги прави невидими за светлината или радара и затова клингонските кораби могат да се промъкват зад междузвездните кораби на Федерацията и да ги нападат безнаказано от засада. Това прикриващо устройство е осигурило на Клингонската империя стратегическо предимство над Федерацията на планетите.

Дали наистина е възможно подобно устройство? Невидимостта отдавна е била едно от чудесата на научната фантастика и фантазията, като се започне от страниците на „Невидимия“ и се стигне до вълшебната мантия невидимка в книгите за Хари Потър или до пръстена във „Властелинът на пръстените“. Обаче в течение на поне един век физиците са отхвърляли възможността за съществуването на мантии невидимки, заявявайки категорично, че те са невъзможни. Те нарушават законите на оптиката и не се съгласуват с нито едно от известните свойства на материята.

Но днес невъзможното може да стане възможно. Новите разработки в областта на „метаматериалите“ принуждават учените да направят пълна ревизия на учебниците по оптика. Действащи прототипи на подобни материали са били създадени наистина в лабораторни условия, разпалвайки силен интерес в медиите, индустрията и военните към възможността видимото да бъде накарано да стане невидимо.

Невидимостта в исторически план

Невидимостта е може би една от най-старите общи представи в древната митология. От началото на писмената история хора, които били сам-самички в зловещите нощи, се плашели от невидимите духове на мъртвите, от душите на отдавна починалите, които се спотаяват в мрака. Гръцкият герой Персей успял да убие злата Медуза, тъй като бил с шлема на невидимостта. Армейски генерали мечтаели за невидимо прикриващо устройство. Ако станел невидим, човек можел да проникне лесно зад вражеските линии и да плени врага с изненадващо нападение. Престъпниците биха могли да използват невидимостта, за да извършват успешни грабежи.

Невидимостта играла главна роля в теорията на Платон за етиката и морала.^[1] В своя философски шедьовър „Държавата“ Платон разказва мита за пръстена на Гигес. Бедният, но честен овчар Гигес от Лидия влязъл в скрита пещера и намерил гробница, в която имало труп, носещ златен пръстен. Гигес открил, че този златен пръстен притежава вълшебната способност да го прави невидим. Скоро овчарят се опиянил от властта, която му дал пръстенът. Промъкнал се в царския дворец, използвал своята власт, за да съблазни царицата и с нейна помощ убил царя и станал следващият владетел на Лидия.

Моралът, който Платон искал да извлече от този мит, е, че никой човек не може да устои на изкушението да бъде в състояние да краде и убива по своя воля. Всички хора могат да се покварят. Нравствеността е социално сложно идейно образувание, наложено отвън. Един човек може да изглежда морален пред обществеността, за да поддържа своята репутация на честен и почтен човек, но щом се сдобие със способността да става невидим, употребата на подобна способност би била неустоима. (Някои смятат, че тази приказка за нравствеността е била източник на вдъхновение за трилогията на Дж. Р. Р. Толкин „Властелинът на пръстените“, в която един пръстен, даряващ невидимост на своя носител, също е източник на зло.)

Невидимостта е и често срещан сюжетен похват в научната фантастика. В сериала „Флаш Гордън“. Флаш става невидим, за да избяга от стрелящата по него ескадра на Минг Безмилостния. В романите и филмите за Хари Потър Хари си намята специална мантия, която му позволява да скита из замъка „Хогуортс“, без да го виждат.

Х. Дж. Уелс е придал конкретна форма на голяма част от тази митология в своя класически роман „Невидимия“, в който един учен в областта на медицината случайно открива тази способност на четвъртото измерение и става невидим. За съжаление той използва тази фантастична възможност за лична изгода, извършва поредица от дребни престъпления и накрая загива по време на отчаян опит да се изплъзне на полицията.

Уравненията на Максуел и тайната на светлината

Едва след работата в тази област на шотландския физик Джеймс Кларк Максуел, един от гигантите във физиката през XIX в., физиците започнали да разбират ясно законите на оптиката. В известен смисъл Максуел е пълна противоположност на Майкъл Фарадей. Докато Фарадей притежавал превъзходен експериментален инстинкт, но нямал каквото и да е официално образование — Максуел, който бил съвременник на Фарадей, бил експерт по висша математика. Той изпъкнал още като студент по математическа физика в Кеймбридж, където Исак Нютон бил работил преди два века.

Нютон бил създал математическия анализ, който получавал израз на езика на „диференциалните уравнения“ и който описва как обектите претърпяват лесно безкрайно малки промени в пространството и времето. Движението на океанските води, на течностите, газовете и гюлетата може да бъде изразено на езика на диференциалните уравнения. Максуел си поставил една ясна цел — да изрази революционните открития на Фарадей и неговите силови полета посредством точни диференциални уравнения.

Максуел започнал с откритието на Фарадей, че електрическите полета биха могли да се превръщат в магнитни полета и обратно. Той взел описанията на силовите полета от Фарадей и ги пренаписал на прецизния език на диференциалните уравнения, създавайки по този начин една от най-важните поредици от уравнения в модерната наука. Това е поредица от осем страховити на вид диференциални уравнения. Всеки физик и инженер в света трябва да се поти над тях, докато учи за електромагнетизма в гимназията.

След това Максуел си задал съдбоносния въпрос: ако магнитните полета могат да се превръщат в електрически и обратно, то какво ще стане, ако те постоянно се превръщат едно в друго в един вечен модел? Максуел открил, че тези електромагнитни полета биха създали вълна, която до голяма степен прилича на океанска вълна. За негово удивление той изчислил скоростта на тези вълни и установил, че тя съвпада със скоростта на светлината! През 1864 г., след като открил този факт, той написал пророчески следното: „Тази скорост е толкова близка до тази на светлината, че изглежда така, сякаш имаме силно основание да стигнем до заключението, че самата светлина… е електромагнитно смущение.“

Това било може би едно от най-големите открития в човешката история. За първи път тайната на светлината била разкрита. Изведнъж Максуел осъзнал, че всичко, като се почне от яркостта на слънчевия изгрев и се стигне до блясъка на залязващото слънце, ослепителните цветове на дъгата и непоколебимостта на звездите в небесата би могло да се опише чрез вълните, които той надраскал върху лист хартия. Днес разбираме, че целият електромагнитен спектър — от радара до телевизията, инфрачервената светлина, видимата светлина, ултравиолетовата светлина, рентгеновите лъчи, микровълните и гама-лъчите — не е нищо друго освен вълни на Максуел, които на свой ред представляват вибриращи силови полета на Фарадей.

Коментирайки значението на уравненията на Максуел, Айнщайн писал, че те са „най-важното и най-плодотворно събитие, което е преживяла физиката от времето на Нютон“.

(Трагично е обстоятелството, че Максуел починал на ранната възраст от четиридесет и осем години от рак на стомаха — вероятно същата болест, която погубила и майка му на същата възраст. Ако той бе живял по-дълго, може би е щял да открие, че неговите уравнения са допускали изкривявания на континуума пространство-време, които биха довели директно до теорията на относителността на Айнщайн. Зашеметяващо е да осъзнаем, че относителността е можела да бъде открита още по времето на Американската гражданска война, ако Максуел бе живял по-дълго.)

Теорията за светлината на Максуел и атомната теория дават прости обяснения на оптиката и невидимостта. В едно твърдо тяло атомите са свързани здраво, а в течност или газ молекулите са разредени. Повечето твърди тела са матови, защото светлинните лъчи не могат да преминават през гъстата матрица от атоми в едно твърдо тяло, която действа като тухлена стена. Много течности и газове, обратното, са прозрачни, тъй като светлината може да преминава по-лесно между големите пространства между техните атоми — пространство, което е по-голямо от вълновата дължина на видимата светлина. Например водата, алкохолът, амонякът, ацетонът, водородният прекис, бензинът и т.н. — всички те са прозрачни, каквито са и газове като кислорода, водорода, азота, въглеродния диоксид, метана и т.н.

Има някои важни изключения от това правило. Много кристали са и твърди, и прозрачни. Но атомите на един кристал са подредени във формата на прецизна решетъчна структура в правилни редици с еднакво разстояние между тях. Вследствие на това има много пътища, по които един светлинен лъч може да премине през кристалната решетка. Следователно, макар че един кристал има такова сцепление, каквото има всяко твърдо тяло, светлината все пак може да си пробие път през него.

При известни обстоятелства един твърд предмет може да стане прозрачен, ако атомите бъдат подредени произволно. Това може да стане чрез нагорещяването на някои материали до висока температура и след това чрез бързото им охлаждане. Стъклото например е твърдо тяло с част от свойствата на течност заради произволното подреждане на неговите атоми. Някои бонбони също могат да станат прозрачни чрез този метод.

Очевидно невидимостта е свойство, което се появява на атомно равнище, описано от уравненията на Максуел, от което следва, че би било изключително трудно — дори невъзможно, да бъде удвоен един обект с използването на обичайни средства. За да направи Хари Потър невидим, човек би трябвало да го втечни, да го свари, за да създаде пара, да го кристализира, пак да го затопли и след това да го охлади, като всичко това би било твърде трудно постижимо дори за магьосник.

Военните, не можейки да създадат невидими самолети, са се опитали да реализират следващото по качество постижение, са създали стелт технологията, която прави самолетите невидими за радарите. Стелт технологията се опира на уравненията на Максуел, за да създаде серия от трикове. Един боен изтребител стелт е съвсем видим за човешкото око, но неговото радарно изображение върху екрана на вражески радар достига само размера на голяма птица. (Стелт технологията в действителност представлява неочаквана смесица от трикове. Чрез промяната на материалите в реактивния изтребител, посредством намаляване на съдържанието на стомана и използването вместо нея на смола и пластмаси, чрез промяната на ъглите на неговия фюзелаж, чрез пренареждането на ауспусите и т.н., човек може да накара лъчите на вражеския радар, след като се ударят в апарата, да се разпръснат във всички посоки, така че никога да не се върнат на екрана на вражеския радар. Дори с помощта на стелт технологията един реактивен изтребител всъщност не е невидим, а по-скоро отразява и разпръсва толкова лъчи, изпратени от вражеските радари, колкото е възможно технически.)

Метаматериали и невидимост

Но може би най-обещаващата нова разработка, свързана с невидимостта, е един екзотичен нов материал, наречен „метаматериал“, който може някой ден да направи обектите наистина невидими. По ирония на съдбата създаването на метаматериали някога е било смятано за невъзможно, защото те нарушават законите на оптиката. Но през 2006 г. изследователи в университета „Дюк“ в Дърам, Северна Каролина, и Импириъл колидж в Лондон опровергаха успешно общоприетата мъдрост и използваха метаматериали, за да направят един обект невидим за микровълново излъчване. Въпреки че все още има много пречки за преодоляване, за първи път в историята днес имаме подробен план как да правим невидими обикновените предмети. (Агенцията за отбранителни напреднали изследователски проекти към Пентагона (DARPA) финансираше това изследване.)

Нейтън Мирволд, бивш висш служител в „Майкрософт“ по технологичните въпроси, казва, че революционният потенциал на метаматериалите „ще измени напълно начина, по който подхождаме към оптиката и към почти всички аспекти на електрониката… Някои от тези метаматериали могат да постигат изключителни неща, които биха приличали на чудеса преди няколко десетилетия“^[2].

Какво представляват тези метаматериали? Това са вещества, притежаващи оптични свойства, които не се срещат в природата. Метаматериалите се създават чрез вмъкването на миниатюрни импланти във вещество, което кара електромагнитните вълни да се прегъват по необикновени начини. В университета „Дюк“ учените вмъкнаха миниатюрни електрически вериги в медни ленти, подредени във формата на плоски, концентрични кръгове (нещо подобно на намотките на електрическа фурна). В резултат се получи сложна смесица от керамика, тефлон, влакнести композитни материали и метални компоненти. Тези миниатюрни импланти в медта правят възможно нейното прегъване и канализират пътя на микровълновото излъчване по специфичен начин. Представете си начина, по който една река тече около голям заоблен камък. Тъй като водата завива бързо около камъка, присъствието му престава да се усеща надолу по течението. Подобно на това метаматериалите могат постоянно да променят и прегъват пътя на микровълните така, че те да текат около един цилиндър, например, като по същество правят невидимо за микровълните всичко, намиращо се вътре в цилиндъра. Ако метаматериалът премахва всички отражения и сенки, то тогава той може да направи един обект напълно невидим за тази форма на излъчване.

Учените демонстрираха успешно този принцип с помощта на устройство, направено от десет пръстена от фибростъкло, покрити с медни елементи. Един меден пръстен, намиращ се вътре в устройството, беше направен почти невидим за микровълновото излъчване, тъй като хвърляше съвсем малка сянка.

В същността на метаматериалите се крие тяхната способност да манипулират нещо, наречено „индекс на рефракция“. Рефракцията е пречупването на светлината, докато тя преминава през прозрачни междинни среди. Ако поставите ръката си във вода или погледнете през лещата на вашите очила, ще забележите, че водата и стъклото изкривяват и пречупват пътя на обикновената светлина.

Причината, поради която светлината се пречупва в стъкло или вода, е, че светлината забавя ход, когато влиза в плътна, прозрачна междинна среда. Скоростта на светлината в чист вакуум винаги остава една и съща, но светлината, движеща се през стъкло или вода, трябва да премине през трилиони атоми и вследствие на това забавя своя ход. (Скоростта на светлината, разделена на по-ниската скорост на светлината вътре в междинната среда, се нарича индекс на рефракция. Тъй като светлината забавя ход в стъкло, индексът на рефракция винаги е по-голям от 1,0.). Например индексът на рефракция е 1,00 за вакуум, 1,0005 за въздуха, 1,5 за стъклото и 2,4 за диаманта. Обикновено колкото по-плътна е междинната среда, толкова по-голяма е степента на пречупване и съответно по-висок индексът на рефракция.

Известен пример за индекса на рефракция е един мираж. Ако карате кола в горещ ден и гледате право напред към хоризонта, пътят като че ли трепти, създавайки илюзията за проблясващо езеро. В пустинята човек понякога може да види на хоризонта очертанията на далечни градове и планини. Това се дължи на обстоятелството, че горещият въздух, който се издига от паважа или пустинята, притежава по-ниска плътност от обикновения въздух и вследствие на това има по-нисък индекс на рефракция от околния по-студен въздух и затова светлина от далечни обекти може да бъде отразена от паважа във вашето око, създавайки илюзията, че виждате далечни обекти.

Обикновено индексът на рефракция е постоянна величина. Един тънък лъч светлина се пречупва, когато влиза в стъкло, и след това продължава да напредва в права линия. Но допуснете за миг, че бихте могли да контролирате индекса на рефракция по ваше желание, така че той да може да се променя постоянно във всяка точка в стъклото. Докато светлината се движи в този нов материал, тя би могла да се пречупи и да се извива в нови посоки, създавайки път, който би блуждаел из веществото като змия.

Ако човек би могъл да контролира индекса на рефракция вътре в метаматериала, така че светлината да минава покрай един обект, обектът би станал невидим. За да постигне това, този метаматериал трябва да има отрицателен индекс на рефракция, което е невъзможно според всички учебници по оптика. (Съществуването на метаматериалите е било предположено теоретично за първи път в един доклад на съветския физик Виктор Веселаго през 1967 г. и е било показано, че те ще притежават необикновени оптични свойства като отрицателния индекс на рефракция и действащия в обратна посока ефект на Доплер. Метаматериалите са толкова странни и абсурдни, че някога учените са смятали, че е невъзможно те да бъдат създадени. Но през последните няколко години метаматериали бяха изработени наистина в лабораторни условия, което принуди физиците да пренапишат неохотно всички учебници по оптика.)

Изследователите в областта на метаматериалите постоянно са тормозени от журналисти, които биха искали да узнаят кога мантиите невидимки ще се появят на пазара. Отговорът гласи: няма да е скоро.

Дейвид Смит от университета „Дюк“ казва: „Журналистите звънят и просто искат да им кажете някакво число. След колко месеца, след колко години. Те толкова настояват, че накрая казвате, ами добре, може би след петнадесет години. Тогава попадате в заглавията на вестниците, нали? «Петнадесет години до мантията на Хари Потър».“ Ето защо сега той не е склонен да посочи някаква точна дата.^[3] Може би почитателите на „Хари Потър“ или на „Стар Трек“ трябва да почакат. Въпреки че една истинска мантия невидимка е възможна според законите на физиката, както ще се съгласят повечето физици, остават за преодоляване огромни технически пречки, преди тази технология да може да получи разширена употреба при видима светлина, а не само при микровълново излъчване.

И изобщо структурите, имплантирани вътре в метаматериалите, трябва да бъдат по-малки от вълновата дължина на излъчването. Например микровълните могат да имат вълнова дължина от около 3 сантиметра, така че, за да отклони един метаматериал пътя на микровълните, той трябва да разполага с миниатюрни импланти, вмъкнати вътре в него, които да бъдат по-малки от 3 сантиметра. Но за да направи един обект невидим за зелената светлина, като този обект има вълнова дължина 500 нанометра (нм), метаматериалът трябва да притежава структури, вмъкнати вътре в него, които да бъдат дълги само около 50 нанометра — а нанометрите са мащаби с атомна дължина, изискващи нанотехнология. (Един нанометър е дълъг една милиардна част от метъра. Приблизително пет атома могат да се поберат в рамките на един-единствен нанометър.) Може би това е главният проблем, пред който сме изправени в нашите опити да създадем истинска мантия невидимка. Отделните атоми вътре в един метаматериал би трябвало да бъдат модифицирани, за да пречупят един светлинен лъч като змия.

Метаматериали за видимата светлина

Състезанието продължава.

Още откакто беше обявено, че метаматериали са били произведени в лабораторни условия, в тази област започна трескава дейност, като на всеки няколко месеца се появяваха нови прозрения и смайващи пробиви. Целта е ясна: нанотехнологията да бъде използвана за създаването на метаматериали, които да могат да пречупват видимата светлина, не само микровълните. Бяха предложени няколко подхода, като всички те бяха многообещаващи.

Според едно от предложенията трябва да се използва готова технология, т.е. да се заимстват известни техники от полупроводниковата индустрия за създаването на нови метаматериали. Една техника, наречена „фотолитография“, стои в центъра на компютърната миниатюризация и привежда в действие компютърната революция. Тази технология дава възможност на инженерите да разполагат стотици милиони миниатюрни транзистори в силициева пластина, не по-голяма от вашия палец.

Причината, поради която компютърната мощност се удвоява на всеки осемнадесет месеца (което се нарича закон на Мур), е, че учените използват ултравиолетово излъчване, за да „гравират“ все по-малки компоненти върху силициев чип. Тази техника прилича много на начина, по който се използват шаблони за създаването на цветни тениски. (Компютърните инженери започват с една миниатюрна пластина и след това нанасят върху повърхността й изключително тънки слоеве от различни материали. След това над пластината се поставя пластмасова маска, която действа като шаблон. Тя съдържа сложните очертания на жиците, транзисторите и компютърните компоненти, които образуват основния скелет на схемата на електрическата верига. След това пластината се изкъпва в ултравиолетово излъчване, което има много къса вълнова дължина, и това излъчване отпечатва модела върху светлочувствителната пластина. Чрез третирането на пластината със специални газове и киселини сложната схема на електрическата верига на маската се гравира върху пластината, където бива изложена на ултравиолетова светлина. Този процес води до създаването на пластина, съдържаща стотици милиони миниатюрни жлебове, които образуват очертанията на транзисторите.) В момента най-малките компоненти, които човек може да създаде с помощта на този гравиращ процес, са големи около 30 нм (или с диаметър около 150 атома).

Важно събитие настъпи в опитите да се постигне невидимост, когато тази технология за гравиране на силициева пластина беше използвана от група учени за създаването на първия метаматериал, който действа във видимия обхват на светлината. Учени в Германия и в Министерството на енергетиката на САЩ обявиха в началото на 2007 г., че за първи път в историята са произвели метаматериал, който действа при червена светлина. „Невъзможното“ беше постигнато за забележително кратко време.

Физикът Костас Сукулис от лабораторията „Еймс“ в Айова заедно с Щефан Линден, Мартин Вегенер и Гунар Долинг от университета в Карлсруе, Германия, успяха да създадат метаматериал, който има индекс от –0,6 за червената светлина при вълнова дължина от 780 нанометра. (Преди това световният рекорд за излъчване, пречупено от метаматериал, беше 1,400 нм, което го поставяше извън обхвата на видимата светлина и го разполагаше в обхвата на инфрачервената.)

Учените започнали, първоначално със стъклен лист, а след това нанесли тънък слой от сребро, магнезиев флуорид, и после още един слой от сребро, образувайки „сандвич“ от флуорид, който бил дебел само 100 нанометра. След това, използвайки стандартни техники за гравиране, те създали голяма редица от микроскопични квадратни дупки в сандвича, създавайки мрежов модел, приличащ на рибарска мрежа. (Дупките са широки само 100 нм, като са много по-малки от вълновата дължина на червената светлина.) После пуснали лъч от червена светлина през материала и измерили неговия индекс, който бил –0,6.

Физиците предвиждат, че тази технология ще има много приложения. Метаматериалите „могат един ден да доведат до разработването на един тип плоска суперлеща, която да работи във видимия спектър“, казва доктор Сукулис. „Такава леща би притежавала по-добра резолюция в сравнение с конвенционалната технология, тъй като ще засича подробности, които са много по-малки от една вълнова дължина на светлината.“^[4] Незабавното приложение на подобна „суперлеща“ би се състояло в това да бъдат фотографирани с несравнима яснота микроскопични обекти като вътрешността на една жива човешка клетка или да бъдат диагностицирани болести в бебе, намиращо се в утробата на майката. В идеалния случай човек би бил в състояние да получи фотографии на компонентите на една ДНК молекула, без да се налага да използва тромавата рентгенова кристалография.

Досега тези учени са демонстрирали наличието на отрицателен индекс на рефракция само за червената светлина. Следващата им стъпка би била да използват тази технология, за да създадат метаматериал, който да пречупва изцяло червената светлина около един обект, правейки го невидим за нея.

Бъдещи разработки в това направление могат да се появят в областта на „фотонните кристали“. Целта на фотонно-кристалната технология е да бъде създаден чип, който използва светлина, а не електричество, за да обработва информация. Това изисква използването на нанотехнология за гравирането на миниатюрните компоненти върху пластина, при която индексът на рефракция се променя заедно с всеки компонент. Транзисторите, използващи светлина, имат няколко преимущества пред тези, които използват електричество. Например, налице е много по-малка загуба на топлина от фотонните кристали. (В модернизираните силициеви чипове генерираната топлина е достатъчна за изпържването на едно яйце. Затова те трябва да бъдат изстудявани постоянно или ще излязат от строя, а поддържането им в охладено състояние е много скъпо.) Не е учудващо, че науката за фотонните кристали е идеалният кандидат за създател на метаматериали, тъй като и двете технологии включват манипулирането на индекса на рефракция на светлината в наномащаб.

Невидимост, постигана чрез плазмоника

В средата на 2007 г. още една група учени обяви, че е създала метаматериал, който пречупва видимата светлина с използването на съвсем различна технология, наречена „плазмоника“. Физиците Хенри Лизъц, Дженифър Дион и Хари Атуотър в Калифорнийския технологичен институт (Кал Тек) обявиха, че са създали метаматериал, който има отрицателен индекс за по-трудния синьо-зелен регион на видимия спектър на светлината.

Целта на плазмониката е да „сгъстява“ светлината така, че човек да може да манипулира обектите в наномащаб, особено върху повърхността на металите. Причината, поради която металите провеждат електричеството, е, че електроните са слабо свързани с металните атоми, затова те могат да се движат свободно по повърхността на металната решетка. Електрическият ток, който тече в жиците във вашия дом, представлява плавният поток на тези слабо свързани електрони върху металната повърхност. Но при определени условия, когато един светлинен лъч се сблъска с металната повърхност, електроните могат да вибрират в унисон с първоначалния светлинен лъч, създавайки вълнообразни движения на електроните върху металната повърхност (наречени плазмони), и тези вълнообразни движения също пулсират в унисон с първоначалния светлинен лъч. По-важно е, че човек може да „сгъсти“ тези плазмони така, че те да имат същата честота като първоначалния лъч (и вследствие на това да носят една и съща информация), но да имат много по-малка вълнова дължина. По принцип след това човек би могъл да натъпче тези сгъстени вълни в наножици. Както в случая с фотонните кристали, крайната цел на плазмониката е да създаде компютърни чипове, които да правят изчисления, използвайки светлина, а не електричество.

Групата от Кал Тек е изградила своя метаматериал от два слоя сребро, като между тях имаше силициево-азотен изолатор (с дебелина само от 50 нм), действащ като „вълнов водач“, който може да направлява посоката на плазмонните вълни. Лазерната светлина влиза и излиза от апарата през два тесни отвора, изрязани в метаматериала. Чрез анализирането на ъглите, при които се пречупва лазерната светлина, докато преминава през метаматериала, човек може след това да докаже истинността на твърдението, че светлината е пречупена чрез отрицателен индекс.

Бъдещето на метаматериалите

Напредъкът в областта на метаматериалите ще се ускорява в бъдеще по простата причина, че вече има силен интерес към създаването на транзистори, които използват светлинни лъчи, а не електричество. Изследванията в областта на невидимостта следователно могат да „подложат гръб“ на протичащите в момента изследвания в областта на фотонните кристали и плазмониката, чиято цел е създаването на заместители на силициевия чип. Вече се инвестират стотици милиони долари за създаването на заместители на силициевата технология и изследването в областта на метаматериалите ще извлече полза от тези изследователски усилия.

Като се вземат предвид пробивите, настъпващи в тази област на всеки няколко месеца, не е изненадващо, че според някои физици някакъв вид щит, осигуряващ практическа невидимост, ще се появи от лабораториите може би в рамките на период от няколко десетилетия. През следващите години например учените са сигурни, че ще бъдат в състояние да създадат метаматериали, които могат да направят даден обект напълно невидим за една честота на видимата светлина поне в две измерения. Постигането на това би изисквало вмъкването на миниатюрни наноимпланти не в правилни редици, а в усложнени модели по такъв начин, че светлината да се пречупва плавно около един обект.

Следващата стъпка на учените трябва да бъде създаването на метаматериали, които могат да пречупват светлината в три измерения, а не само при плоски двуизмерни повърхности. Фотолитографията е била усъвършенствана за изработването на плоски силициеви пластини, но създаването на триизмерни метаматериали ще изисква подреждането на пластините по сложен начин.

След това учените ще трябва да решат проблема как да създадат метаматериали, които могат да пречупват не само една честота, а много. Това ще бъде може би най-трудната задача, тъй като миниатюрните импланти, които са били измислени досега, пречупват светлината само на една честота. Може би учените ще трябва да създадат метаматериали, основани на слоеве, като всеки слой пречупва специфична честота. Решението на този проблем не е ясно.

Независимо от това, щом накрая бъде изработен щит, осигуряващ невидимост, той би могъл да се окаже нескопосано устройство. Мантията на Хари Потър е изработена от тънък гъвкав плат и прави невидим всеки, облечен в нея. Но за да бъде възможно това, индексът на рефракция вътре в плата би трябвало да се променя постоянно по сложни начини, докато се вее, което е непрактично. Много по-правдоподобно би било поне в началото една истинска мантия невидимка да бъде направена от твърд цилиндър от метаматериали. По този начин индексът на рефракция би могъл да бъде фиксиран вътре в цилиндъра. (По-модернизираните версии биха могли накрая да включват метаматериали, които са гъвкави и могат да се извиват и все пак да карат светлината да протича в рамките на метаматериалите по правилния път. По този начин всеки, който се намира в мантията, би разполагал с известна гъвкавост на движенията.)

Някои са посочвали един недостатък на щита, осигуряващ невидимост: всеки, който се намира вътре в него, няма да бъде в състояние да поглежда навън, без да стане видим. Представете си, че Хари Потър е съвсем невидим, като изключим очите му, които сякаш се носят посред въздуха. Всички дупки за очите върху мантията невидимка ще бъдат ясно видими отвън. Ако Хари Потър бъде съвсем невидим, то в такъв случай той ще стои, без да вижда, зад своята мантия невидимка. (Възможно решение на този проблем би могло да бъде вмъкването на две съвсем малки стъклени пластинки близо до мястото на дупките за очи. Тези стъклени пластинки биха действали като „лъчеви разделители“, разделящи една съвсем малка част от светлината, която се удря в тях, като след това я изпращат към очите. Така по-голямата част от светлината, удряща се в мантията, ще протича около нея, правейки човека в нея невидим, но едно съвсем малко количество светлина ще бъде отклонявано към очите.)

Колкото и да са обезсърчителни тези трудности, учените и инженерите са оптимистично настроени и се надяват, че някакъв вид щит, осигуряващ невидимост, може да бъде конструиран през следващите няколко десетилетия.

Невидимост и нанотехнология

Както споменах по-горе, ключът към невидимостта може да се окаже нанотехнологията, т.е. способността за манипулиране на структури с големината на атом, чийто диаметър е около една милиардна от метъра.

Раждането на нанотехнологията датира от една прочута лекция през 1959 г., изнесена от Нобеловия лауреат Ричард Файнман пред Американското физично общество, като леко ироничното й заглавие било: „Има много място на дъното“. По време на тази лекция той размишлявал върху това как биха могли да изглеждат най-малките машини, съвместими с известните закони на физиката. Ученият осъзнал, че е възможно да бъдат конструирани все по-малки машини, докато те достигнат атомни разстояния и след това биха могли да бъдат използвани атоми за създаването на други машини. Стигнал до заключението, че атомни машини като макари, лостове и колела се побират напълно в рамките на законите на физиката, макар че би било изключително трудно те да бъдат направени.

Нанотехнологията креела от години, тъй като манипулирането на отделните атоми било отвъд възможностите на технологиите по онова време. Но след това физиците направили пробив през 1981 г., като изобретили сканиращия тунелен микроскоп, който спечелил Нобеловата награда по физика за учените Герд Биних и Хайнрих Роорер, които работели в лабораторията на Ай Би Ем в Цюрих.

Изведнъж физиците придобили способността да получават смайващи „снимки“ на отделни атоми, подредени точно така, както в книгите по химия — нещо, което критиците на атомната теория някога смятали за невъзможно. Великолепните фотографии на атоми, подредени във формата на кристал или метал, сега станали възможни. Химичните формули, използвани от учените, заедно със сложна серия от атоми, опаковани в молекула, биха могли да бъдат наблюдавани с невъоръжено око. Нещо повече, сканиращият тунелен микроскоп направил възможно манипулирането на отделни атоми. Всъщност буквите „IBM“ били изписани трудно с помощта на отделни атоми, предизвиквайки невероятна сензация в научния свят. Учените вече не били слепи, когато манипулирали отделните атоми, а можели наистина да ги наблюдават и да си играят с тях.

Сканиращият тунелен микроскоп е измамно прост. Подобно на игличка на грамофон, която сканира диск, една остра сонда бива прокарана бавно над материала, който трябва да бъде анализиран. (Върхът е толкова остър, че се състои само от един-единствен атом.) Малък електрически заряд бива поставен върху сондата и от нея изтича ток, протича през материала и стига до повърхността, която се намира отдолу. Докато сондата преминава над един отделен атом, количеството на тока, който протича през нея, варира и тези вариации биват записвани. Токът се засилва и отслабва, докато игличката преминава над един атом, като по този начин очертава контура му със забележителни подробности. След много преминавания, чрез отбелязване на колебанията в токовите потоци, човек може да получи прекрасни снимки на отделните атоми, които образуват решетка.

(Сканиращият тунелен микроскоп става възможен по силата на един странен закон от квантовата физика. В нормално състояние електроните не притежават достатъчно енергия, за да излязат от сондата, да преминат през веществото и да стигнат до повърхността, която се намира отдолу. Но заради принципа на неопределеността съществува малка вероятност електроните в тока да „преминат“ или да проникнат през преградата, дори това да се забранява от теорията на Нютон. Така токът, който протича през сондата, проявява чувствителност към съвсем малките квантови ефекти в материала. Ще разгледам ефектите от квантовата теория по-късно и по-подробно.)

Сондата е и достатъчно чувствителна, за да размества отделните атоми и да създава прости „машини“ от тях. Технологията днес е толкова напреднала, че куп от атоми може да бъде показан на компютърен екран и след това, чрез простото движение на курсора на компютъра, атомите могат да бъдат размествани по всеки начин, който ви хрумне. Можете да манипулирате десетки атоми по свое усмотрение така, сякаш си играете с парченца от играта „Лего“. Освен бавното изписване на буквите от азбуката с използването на отделни атоми човек може и да създава атомни играчки като сметало, направено от отделни атоми. Атомите биват подредени в редица на повърхност с вертикални прорези. Вътре в тези вертикални прорези човек може да вмъкне въглеродни топки „Бъки“ (оформени като футболни топки, но направени от отделни въглеродни атоми). След това тези въглеродни топки могат да бъдат движени нагоре-надолу във всеки прорез, като по този начин изградят атомно сметало.

Възможно е и да бъдат изрязани атомни устройства с използването на електронни лъчи. Например учените в Корнелския университет са направили най-малката китара в света, която е двадесет пъти по-малка от човешки косъм и е изрязана от кристален силиций. Тя има шест струни, като всяка от тях е дебела сто атома, и струните могат да бъдат дърпани с използването на атомно-силов микроскоп. (С тази китара наистина може да се свири музика, но честотите, които тя създава, са много над обхвата на човешкото ухо.)

Понастоящем по-голямата част от тези нанотех „машини“ са само играчки. Тепърва трябва да бъдат създадени по-сложни машини със зъбчати колела и сачмени лагери. Но много инженери изпитват увереност, че настъпва времето, когато ще бъдем в състояние да произвеждаме истински атомни машини. (В природата наистина се срещат атомни машини. Клетките могат да плават свободно във водата, защото са в състояние да въртят насам-натам миниатюрни косъмчета. Но когато човек анализира точката на съединение между косъмчето и клетката, вижда, че тя наистина е атомна машина, която позволява на косъмчето да се движи във всички посоки. Затова един от ключовете за разработване на нанотехнологиите е имитирането на природата, която е овладяла изкуството да се изработват атомни машини преди милиарди години.)

Холограми и невидимост

Друг начин човек да бъде направен частично невидим е да бъде фотографиран пейзажът зад него и после това фоново изображение да бъде прожектирано директно върху дрехите на човека или на екран пред него. Когато бъде гледан отпред, ще изглежда така, сякаш човекът е станал прозрачен. На наблюдателите ще им се струва, че светлината някак си е преминала право през тялото му.

Наоки Каваками от лабораторията „Тачи“ в Токийския университет е работил усилено върху този процес, който се нарича „оптическа маскировка“. Той казва: „Тя ще се използва, за да помага на пилотите да виждат през пода на кабината към пистата долу, или на шофьори, които се опитват да гледат през калника, за да паркират колата си.“ „Мантията“ на Каваками е покрита със съвсем малки светлоотразителни мехурчета, които действат като киноекран. Видеокамера снима това, което се намира зад мантията. После това изображение се изпраща във видеопрожектор, който осветява предната част на мантията и по този начин се създава впечатлението, че светлината е преминала през човека.

Прототипи на оптическа маскировъчна мантия действително съществуват в лабораторни условия. Ако гледате право към един човек, който носи тази екраноподобна мантия, се създава впечатлението, че човекът е изчезнал, защото всичко, което виждате, е изображението зад него. Но ако преместите малко погледа си, изображението върху мантията няма да се промени, което ще ви покаже, че това е оптическа измама. По-реалистичната оптическа маскировка би трябвало да създаде илюзията за триизмерно изображение. За да го направи, човек се нуждае от холограми.

Холограмата е триизмерно изображение, създадено от лазери (като триизмерното изображение на принцеса Лея в „Междузвездни войни“). Един човек може да бъде направен невидим, ако фоновият пейзаж бъде заснет със специална холографска камера и след това холографското изображение бъде прожектирано посредством специален холографски екран, поставен пред човека. Наблюдател, който стои пред този човек, би видял холографския екран, на който ще бъде показано триизмерното изображение на фоновия пейзаж без човека. Ще изглежда така, сякаш човекът е изчезнал. В този случай мястото на човека ще представлява точно триизмерно изображение на фоновия пейзаж. Дори ако местите поглед нагоре-надолу, няма как да кажете, че това, което виждате, е оптическа измама.

Тези триизмерни изображения стават възможни, защото лазерната светлина е „кохерентна“, т.е. всички вълни вибрират в съвършен унисон. Холограмите се създават чрез принуждаването на един кохерентен лазерен лъч да се раздели на две части. Половината от лъча осветява фотографски филм. Другата половина осветява един обект, отскача от него и след това осветява същия фотографски филм. Когато тези два лъча интерферират върху филма, бива създаден интерферентен модел, който шифрира цялата информация на първоначалната триизмерна вълна. Когато бъде проявен, филмът не прилича много на оригинала, а представлява сложен паяжиноподобен модел от завихряния и линии. Но когато позволят на лазерен лъч да освети този филм, точно триизмерно копие на първоначалния обект се появява изведнъж като по магия.

Техническите проблеми, които създава холографската невидимост обаче, са страшни. Едно от предизвикателствата е да бъде създадена холографска камера, която е способна да снима поне 30 кадъра в секунда. Друг проблем е съхраняването и обработването на цялата информация. Накрая, човек би трябвало да прожектира това изображение върху екран така, че изображението да изглежда реалистично.

Невидимост посредством четвъртото измерение

Трябва да споменем и че един още по-сложен начин за предизвикване на невидимост е бил споменат от Х. Дж. Уелс в „Невидимия“, и той включвал използването на силата на четвъртото измерение. (По-нататък в тази книга ще разгледам по-подробно възможното съществуване на по-висши измерения.) Можем ли да напуснем нашата триизмерна вселена и да се носим над нея от удобната позиция на четвъртото измерение? Подобно на триизмерна пеперуда, кръжаща над двуизмерен лист хартия, бихме били невидими за всеки, който живее във Вселената под нас. Проблемът, създаван от тази идея, е, че все още не е доказано, че има по-висши измерения. Освен това, хипотетичното пътуване до по-висше измерение би изисквало енергии, които надминават далеч достижимите от съвременните технологии. В качеството си на приложим начин за постигане на невидимост този метод очевидно е отвъд сегашните ни познания и способности.

Като се имат предвид огромните крачки, направени досега за постигането на невидимостта, тя очевидно може да бъде окачествена като спадаща към Клас I на невъзможните неща. В рамките на следващите няколко десетилетия, или поне в рамките на този век, някаква форма на невидимост може да стане част от ежедневието ни.