Fiziķi spēj padarīt priekšmetu neredzamu

Tagad zinātne ir ļoti tuvu tam, lai piepildītu burvju mākslinieku sapni un padarītu priekšmetus neredzamus. Pētnieki konstruē jaunus materiālus, kas dažādos veidos mijiedarbojas ar gaismas viļņiem. Jau tagad viņiem eksperimentos izdodas panākt, ka nelieli objekti izgaist.

Optiskas ilūzijas iespaidā Džeimsa Bonda “Aston Martin” pazūd kā nebijis, Harijs Poters uzliek maģisko paslēpni, un “Zvaigžņu ceļa” kosmosa kuģi aktivizē neredzamības vairogu. Drīzumā fiziķi mīs kinoļaudīm uz papēžiem, jo arvien labāk prot manipulēt ar gaismu un jau spēj padarīt neredzamus pavisam nelielus priekšmetus.

Nesen amerikāņu pētnieki no Djūka universitātes Daremā, Ziemeļkarolīnas štatā, konstruējuši savdabīgu vairogu, kas gaismas viļņus apliec ap priekšmetu, radot ilūziju, ka tā nemaz nav. Zinātnieki izmanto mākslīgos materiālus ar īpašām elektromagnētiskajām īpašībām. Pagaidām gan šis eksperiments nedarbojas tādā mērogā, ko spētu uztvert cilvēka acs. Tāpēc nākamais posms būs padarīt neredzamību saskatāmu.

 

 

Neredzamības atslēga ir gaisma. Kad mēs redzam kādu priekšmetu, mēs patiesībā uztveram tā atstaroto gaismu. Gaismas stari nonāk acī, veidojot attēlu uz tīklenes, un smadzenes šo informāciju pārvērš redzes iespaidos. Aizvadot atstarotos gaismas viļņus citur, zinātnieki grib apmānīt acis, lai šķistu, ka priekšmeta nemaz nav. Lidmašīnas saplūst ar debesīm, neglītais skurstenis izgaist, un mēs paši nozūdam citu ļaužu skatieniem.

Zinātnieki cer veikt arī pretējo darbību un neredzamus priekšmetus padarīt redzamus. Piemēram, pastiprinot pat visvājāko atstaroto gaismu, jaunos supermikroskopos varēs aplūkot DNS pavedienu.

Kokteiļu salmiņš parāda ceļu

Pirmais solis ceļā uz neredzamību tika sperts Maskavas universitātē pagājušā gadsimta 60. gados. Tur krievu fiziķis Viktors Veselago sēdēja un prātoja par to, kā notiek gaismas laušana. Viņš nedomāja ne par neredzamības apmetņiem, ne citām līdzīgām lietām. Fundamentālās zinātnes pārstāvi interesēja vienīgi gaismas izpēte.

Veselago labi zināja, ka gaismas izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no tās pārvietošanās vides. Ja vilnis virzās no apgabala, kurā vides īpašības nosaka vienu izplatīšanās ātrumu, uz apgabalu ar citu izplatīšanās ātrumu, viļņu pārvietošanās virziens mainās, un gaisma tiek lauzta.

Mēs to varam novērot, ievietojot ūdens glāzē kokteiļu salmiņu. Izskatās, ka vietā, kur ūdens saskaras ar gaisu, salmiņš aizlūst, tomēr turpina sniegties uz to pašu pusi kā virs ūdens. Matemātiski to raksturo gaismas laušanas koeficients, kas dabiskiem materiāliem vienmēr ir pozitīvs lielums. “Bet kā būtu, ja salmiņš pilnīgi pārlūztu, it kā pagriežoties uz pretējo pusi?” domāja Veselago. Tas būtu iespējams tikai tad, ja šai vielai būtu negatīvs gaismas laušanas koeficients. Zinātnieks pabeidza savu domu eksperimentu un 1967. gadā publicēja teoriju par materiāliem ar negatīvu gaismas laušanas koeficientu. Tomēr vajadzēja paiet vēl 32 gadiem, iekams cits fiziķis turpināja iesākto darbu.

Dabas vietā nāk tehnoloģijas

Veselago teorijas vājā vieta bija tā, ka to nevarēja eksperimentāli pārbaudīt. Gaismas izplatīšanās ātrums nevienā dabiskā materiālā nav tāds, lai tā lūztu pretējā leņķī.

Tomēr angļu fiziķis Džons Pendrijs no Londonas Impērijas koledžas 1999. gadā izdomāja risinājumu – ja daba nepiedāvā materiālus, kas spēj apmānīt gaismu, talkā jāņem zinātne. Gaisma ir elektromagnētiskā lauka svārstības, kas izplatās telpā, citiem vārdiem sakot, elektromagnētiskie viļņi. Dabiskā materiālā gaismas izplatīšanās ātrumu ietekmē tikai ķīmiskais sastāvs, kas nosaka vielas mijiedarbību ar elektrisko un magnētisko lauku.

Pendrijs piedāvāja mākslīgu materiālu no organiskā stikla un vara komponentiem, kuriem bija jāveido elektrovadoša struktūra, kas spētu ietekmēt gaismu. Vara gredzenu struktūras Pendrija shēmā nodrošināja materiālam vajadzīgās magnētiskās īpašības, savukārt vara vadiņi – elektriskās īpašības. Kad elektromagnētiskais starojums, tātad arī gaisma, kritīs uz šiem elektrovadošajiem elementiem, tās mijiedarbība ar elektroniem sīkajās metāla detaļās ietekmēs gaismas ātrumu un vienlaikus virzienu. Tādējādi vara elementu struktūra varēs aizvadīt gaismu jebkurā virzienā, nevis to tikai noteiktā veidā atstarot vai lauzt. Pendrijam un viņa domubiedriem izdevās īstenot Veselago teoriju un “pārlauzt kokteiļu salmiņu pretējā virzienā”.

Neredzamība nav saskatāma

Zinātniekam radās doma – ja reiz gaismu var aizvadīt vēlamajā virzienā, kas traucē to virzīt apkārt priekšmetam, padarot to neredzamu? Pendrijs izdomāja eksperimentu, kurā viņa metamateriālu veidotu cits citā ievietoti gredzeni. Vidū atrastos neliels metāla cilindrs, un saskaņā ar teoriju, gaismai krītot uz šo materiālu, tās viļņi apliektos apkārt metāla cilindram un savāktos kopā otrā pusē, gluži kā ūdens, kas aptek apkārt akmenim. Cilindrs būtu neredzams – secināja Pendrijs, 2006. gadā prezentēdams savu ideju.

Kāds Djūka universitātes (ASV) zinātnieku kolektīvs nolēma izmēģināt šo modeli laboratorijā. Pendrijam izrādījās taisnība. Pētniekiem tiešām izdevās padarīt cilindru neredzamu – tikai bija viens “bet”. Neredzamība nebija saskatāma ar aci. Redzamās gaismas viļņu garums ir mazāks par milimetra tūkstošdaļu, un, lai varētu ietekmēt gaismu, materiāla struktūrām jābūt vēl sīkākām nekā viļņiem.

Zinātnieki nevarēja radīt tik maza izmēra komponentus, tāpēc eksperimentā izmantoja mikroviļņus ar lielāku viļņa garumu, kuri izturas tieši tāpat kā gaismas viļņi, bet ir “saskatāmi” tikai mērierīcēs.

Nākamais solis – cunami

2012. gadā amerikāņi atkārtoja šo eksperimentu pilnveidotā modelī, likvidējot jebkādus atspīdumus un ēnas. Viņi joprojām darbojas ar mikroviļņiem, bet pēdējā laikā visā pasaulē notiek vairāki eksperimenti, kuru pamatā ir Džona Pendrija pētījumi un kuru mērķis ir panākt cilvēkam saskatāmu neredzamību.

Pagaidām ne no viena fiziķu izgatavotā materiāla nevar pašūt Harija Potera paslēpni, jo tie vēl ir pārāk sīki un neelastīgi. Tomēr šiem eksperimentiem ir liela nozīme, jo jaunā tehnoloģija noderēs gan mikroskopu, gan saules bateriju izstrādē.

Nākotnes perspektīvas ir vēl grandiozākas. Līdzīgi gaismas viļņiem izturas arī citi viļņi, piemēram, skaņas viļņi, triecienviļņi un jūras viļņi. Tāpēc vairāki zinātnieki uzskata, ka manipulācijā ar gaismas viļņiem izmantotos principus varētu likt lietā, lai aizvadītu zemestrīces apkārt apdraudētām lielpilsētām vai neļautu pār piekrastēm gāzties cunami viļņiem.

Informācija no http://www.ilustretazinatne.lv/node/900