< NAUKA I TECHNIKA | << FALLOUTY I POSTAPOKALIPSA A NAUKA
Skala niewidzialności

Wygląda na to, że baśniowemu motywowi czapki niewidki należy zmienić status na science-fiction, z naciskiem na science. Marzenie o niewidzialności, zdawałoby się do cna wyeksploatowane przez literaturę, filmy i gry, odżyło we współczesnych laboratoriach badawczych. Najbardziej widowiskowe dziś eksperymenty Japończyków (prof. Susumu Tachi) są raczej ślepą uliczką, ale Amerykanie ruszyli bardzo obiecującym tropem.

W tych ambitnych i perspektywicznych badaniach nie chodzi o niewidzialność wynikającą z ograniczeń konstrukcyjnych ludzkiego oka, czy tworzenie jakichś iluzji. Przecież fale poza widzialnym zakresem możemy zarejestrować dzięki różnym przyrządom, a aparatura do tworzenia iluzji może zawieść, choćby tracąc zasilanie. Chodzi o rzeczywistą niewykrywalność, przynajmniej w pewnym zakresie fal, na którą żaden sprzęt działający w tym zakresie, nie pomoże.

Celem prac fizyków i inżynierów jest otrzymanie (skonstruowanie) materiałów o ujemnym współczynniku załamania światła. Fala elektromagnetyczna, docierając do granicy dwóch ośrodków optycznych, miałaby łagodnie opływać obiekt, a potem wracać do pierwotnego kształtu, co u odpowiednio oddalonego obserwatora wywoływałoby wrażenie pustej przestrzeni.

Takie materiały w przyrodzie nie występują. Wszystkie mają dodatnie współczynniki załamania, co doskonale tłumaczy nieistnienie niewidzialnych obiektów. Ale pod koniec lat 60. z równań Maxwella wysnuto hipotezę, że takie materiały mogą jednak istnieć albo raczej, że ich istnienie nie byłoby sprzeczne z prawami fizyki (Wiktor Veselago, 1968). To podstawa dzisiejszych prac nad tzw. metamateriałami.

Pomysł polegał na nadaniu całkowicie sztucznemu, skonstruowanemu inżynierskimi metodami materiałowi, takiej struktury przestrzennej, żeby oddziaływała ona na fale elektromagnetyczne w pożądany sposób. Skoro materiał miał być aktywny elektromagnetycznie, to jego elementy (rezonatory) musiałyby pełnić funkcję tradycyjnych cewek czy kondensatorów. Ważne byłyby też odległości pomiędzy kolejnymi powłokami. Wymiary elementów i odległości uzależnione byłyby od długości kształtowanej fali.

W 2001 roku, w eksperymencie przeprowadzonym na University of California w San Diego zademonstrowano metamateriał o ujemnym współczynniku załamania. W Duke University, w 2006 roku skonstruowano pierwszą "czapkę niewidkę" na podstawie opracowanej w międzyczasie teorii. "Czapeczka" (czy może raczej sam otok czapki - płaski krążek) działała tylko dla jednej długości fali (3,5 cm). W dodatku tylko dla wiązki spolaryzowanej w jednej płaszczyźnie. Taka zabawa - niewidzialna niewidzialność. Ludzkie oko nie rejestruje przecież mikrofal. Pozornie zupełnie bezużyteczne. Prawdziwa bajkowa niewidka powinna działać w trzech wymiarach, w całym paśmie światła widzialnego. Ten eksperyment potwierdził jednak prawidłowość założeń teoretycznych. Fala nie dotarła do wnętrza krążka. Niewidzialność okazała się osiągalna. Wybór długości fali był podyktowany względami praktycznymi. Wymiary elementów (z miedzi, w kształcie litery C) rzędu centymetrów ułatwiały konstrukcję materiału i przeprowadzanie testów.

Pierwszy metamateriał działający w zakresie światła widzialnego zaprezentowano w grudniu 2007 roku, na University of Maryland. Też mało praktyczny, choć konstrukcyjnie imponujący. Średnica elementów osłony (warstwy koncentrycznych pierścieni ze złota na przezroczystym, akrylowym podłożu) była kilkakrotnie (od 5 do 10 razy) mniejsza od średnicy ludzkiego włosa! Wszystko przez długość fal - świetlne są znacznie krótsze od mikrofalowych i wymagają miniaturyzacji elementów metamateriału.

Konstruowanie lepszych "czapek niewidek" zależy więc od postępów nanotechnologii. Prace będą kontynuowane, to pewne, bo symulacje komputerowe wskazują, że powłoki z powtarzających się elementów - "anten" (prętów, łuków i pierścieni) - mogłyby sprawiać, że otoczone nimi obiekty całkowicie znikną z naszych oczu. Izolowałyby one także promieniowanie emitowane przez skrywany obiekt. Świetnie, ale futurystyczny wojownik nie może być całkowicie ślepy w absolutnej ciemności! Doniesienia z Chin o przezwyciężeniu tej trudności, nie zostały na razie potwierdzone.

Rządowa agencja DARPA finansująca projekty naukowe uznane za istotne dla obronności Stanów Zjednoczonych (Internet, egzoszkielet wspomagany - to też ich pieniądze) zainwestowała w badania nad metamateriałami. Wartość militarna technologii opartej na takich materiałach jest oczywista. Nawet jeśli uznamy, że wizję niewykrywalnej dla sonarów łodzi podwodnej, pokrytej aktywnym akustycznie materiałem należy włożyć między bajki. Szczególnie, nawiasem mówiąc, atrakcyjne dla wojskowych (i naukowców dostających kasę), bo w głębinach oceanicznych traci na ostrości problem widzialności powłok zapewniających niewidzialność.

Do baśniowej czapki niewidki, dającej kolosalną przewagę nad innymi, swobodę działania i praktyczną bezkarność, jeszcze bardzo daleko. Swoją drogą, ile się o ludziach można dowiedzieć, analizując ich marzenia. Na razie dzięki olbrzymim nakładom finansowym, przy użyciu rzadkich materiałów, w laboratoryjnych warunkach można zapewnić niewidzialność obiektom, których i tak nie moglibyśmy dostrzec gołym okiem. Na razie… Do 2077 roku jeszcze daleko. Że ten Stealth-boy może wyglądać inaczej? W końcu żyjemy w alternatywnym wobec Fallouta świecie.

Wykorzystane źródła:

© 2010 Jerzy 'Jerzy' Kubok

< NAUKA I TECHNIKA | << FALLOUTY I POSTAPOKALIPSA A NAUKA