Pull to refresh

Физика невозможного: Невидимость

Popular science
    Я уверен, что здесь не найдётся такого человека, который бы не смотрел фильм «Звёздные воины» или сериал «Звёздный путь» или какую-нибудь другую фантастику. В этом жанре используются технологии, которые ещё не открыты в реальном мире: защитное силовое поле, лазерные мечи, движение самолёта со скоростью близкой к скорости света, телепатия, невидимость и т.п. И создание подобных технологий кажется невозможным, но так ли это со стороны физики?
    Если вам эта статья понравится, то я попробую написать еще несколько статей про другие плоды человеческого воображения. Следующая тема будет: защитное силовое поле.
    Поскольку эта статья первая, поэтому я позволю себе немного отвлечься от главной темы и попробую доказать относительность невозможного. Вы уж меня за это сильно не пинайте. :) Я очень старался, надеюсь вам понравится.

    Прошу прощения за оффтопик. Как же приятно писать статьи на Хабре: столько умных людей. Пиши на любую тему и всё равно найдутся люди, которые тебя понимают. А ещё лучше то, что большинство таких людей разбираются в этой области лучше, чем я. Значит не обязательно ходить в школу, чтобы узнавать что-то новое — нужно просто прочитать комментарии. Спасибо, Хабрахабр ;)

Невозможность — относительное понятие


Если в первый момент идея не кажется абсурдной, она безнадёжна. © Альберт Эйнштейн

    Какое-то время назад гипотеза о том, что огромная тектоническая плита может разорваться и превратиться в два материка казалась просто смешной и нелепой. Действительно, где взять такую силу, которая способна разорвать высоченный бутерброд из гранита, кремния и алюминия? Но теперь мы с вами знаем, что тектонические плиты вполне на это способны. Какое-то время назад гипотеза о том, что динозавры вымерли из-за падения огромного метеорита в 10км в поперечнике казалась смешной и абсолютно нереальной. Однако физики доказали, что это также вполне возможно. То, что прежде считалось невозможным, вполне может стать установленным научным фактом. Вот несколько примеров:
  • Знаете ли вы, что когда-то было доказано: чёрные дыры не могут образовываться естественным путем? Причём доказал это сам Эйнштейн. Но он ошибался. Телескоп имени Хаббла легко обнаружил подобные явления природы. Кстати, чёрные дыры — это участки вселенной с очень большой плотностью или с очень маленьким объёмом. В общем в черной дыре очень большая гравитация, что даже свет не может из неё вылететь. Если уж ошибаются такие гении, то почему не можем ошибаться мы, говоря, что вернуться в прошлое невозможно?
  • В конце 19 века учёные полагали, что возраст Земли не может составлять несколько миллиардов лет. Однако было доказано, что ядерные силы, открытые мадам Кюри и другими учёными, вполне способны удерживать ядро Земли в расплавленном состоянии миллиарды лет за счёт радиоактивного распада. Снова ошибались.
  • Раньше все считали, что ракета не может летать в космосе, так как ей не от чего отталкиваться(воздух отсутствует). Первый, кто из лидеров поверил в существание «космических» ракет был Адольф Гитлер. Он заставил своих учёных изучить этот вопрос получше и в итоге была создана ракета "Фау-2", которая стала чуть ли не смертельной для Британии. Здесь ошибка стоила многим жизни.
  • Даже в существование атомной бомбы когда-то никто не верил, включая Эйнштейна. Но физик-атомщик Лео Сциллард просто фантазировал на эту тему и додумался до цепной реакции, после чего организовал тайную переписку с Энштейном и Франклином Рузвельтом. Итогом стали и Манхэттенский проект, и создание атомной бомбы, и Хиросима с Нагасаки, и ужасная холодная война, и распад СССР. Вот такие последствия...

    Так имеет ли смысл говорить, что телепортироваться с одного места в другое невозможно? Или что невозможно построить космический корабль, способный унести нас на многие световые годы от Земли к звёздам? Я думаю: нет.

Теории будущего


    Существуют ли теории, с помощью которых мы сможем таки создать эти «невозможные» приборы? Скорее да, чем нет. Квантовая физика, нанофизика и теория струн — вот список тех теорий, которые смогут перерасти в более мощные и невообразимые теории, благодаря которым я таки смогу стащить с чужого участка яблоко или горсть малины, при этом оставшись незамеченным, ведь на мне будет костюм невидимки.

Невидимость


Метаматериалы

    Возможно, самым многообещающим в плане невидимости из недавних достижений является экзотический новый материал, известный как "метаматериал". Забавно, но когда-то существование подобного материала считалось также невозможным, так как он противоречет законам оптики Максвелла. Но в 2006 году изобрели этот материал и сделали объект невидимым для микроволновых лучей. Что же в этом изобретении особенного? А то, что он способен создавать такую среду для света, в которой бы свет двигался «быстрее, чем в вакууме»(То-есть особое расположение имплантатов в этом материале создавало бы такой же эффект, как будто бы свет в этой среде движется быстрее, что, конечно, невозможно). Это значит, что все лучи света, проходящие через метаматериал отклоняются и объект за этим материалом становится невидимым. На рисунке синим показан метаматериал, оранжевым объект и красным лучи света. Это, несомненно, огромный прорыв в этой области, но всё равно существует огромное количество препятствий:
  • Длина микроволновых лучей 3см. Поэтому для того, чтобы метаматериал отражал микроволновые лучи, имплантаты у этого материала должны быть шириной меньше 3см. А вот длина волны видимых лучей составляет от 400 до 700 нанометров или от 0.00004 до 0.00007см. То-есть имплантаты должны быть очень и очень маленькими. Здесь без нанотехнологий не обойтись.
  • Чтобы сделать объект полностью невидимым нужно будет создать метаматериал, способный изгибать свет в трёх измерениях, а не только в плоских двухмерных поверхностях. Придётся как-то компоновать плоскости.
  • Пока что все метаматериалы способны изгибать свет только одной частоты, а нужно будет создать такой материал, который будет работать для полосы частот. Здесь скорее всего придётся создать многослойный материал
  • Но щит невидимости, даже будучи наконец создан в лаборатории, может оказаться не таким, как нам хочется. Скорее всего, это будет тяжелое и неповоротливое устройство. До плаща Гарри Поттера будет ещё далеко. Да и к тому же будет невозможно увидеть что-то через это устройство, если ты находишься внутри него. Если же сделать дырки для глаз, то со стороны будут наблюдаться летающие глаза — страшно :)

    В общем в нынешнее время цель весьма понятна: создать при помощи нанотехнологий метаматериалы, способные искривлять не только микроволны, но и видимый свет. Уже предложено несколько весьма перспективных подходов. Одно из предложений заключается в том, чтобы использовать готовые методы, то-есть позаимствовать для производства метаматериалов отработанные технологии микроэлектронной промышленности. В основе минитюаризации компьютеров лежит технология "Фотолитография"; она же служит двигателем компьютерной революции. Эта технология позволяет инженерам размещать на кремниевой подложке размером с ноготь большого пальца сотни миллионов крохотных транзисторов.
   &nbspКстати, мощность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев(Эта закономерность есть закон Мура). Происходит это из-за того, что ученые при помощи ультрафиолетового излучения «вытравляют» на кремниевых чипах все более и более крохотные компоненты. Эта технология напоминает процесс, при помощи которого наносят по трафарету рисунок на цветастую футболку.

Другие применения метаматериала

Вот лишь несколько возможных применений:
  • Они могут привести к созданию плоской супер линзы, работающей в видимой части спектра. Она позволит получать более высокое разрешение и различать детали, значительно уступающие по размерам длине световой волны.
  • Возможность фотографирования микроскопических объектов с беспрецедентной четкостью; речь даже может идти о фотографировании человеческой клетки или о диагностике заболеваний плода в чреве матери.
  • Фотографирование молекул ДНК без применения рентгена

Голограммы и невидимость

    Ещё один способ сделать человека отчасти невидимым — это сфотографировать вид позади него и затем спроектировать это изображение непосредственно на одежду человека или на экран перед ним. Этот процесс называется «Оптическая маскировка». Создали даже плащ, покрытый крошечными светоотражающими бусинками, работающими подобно киноэкрану. То, что происходит сзади, снимается на видеокамеру. Затем это изображение поступает в видеопроектор, который в свою очередь, проецирует его на плащ спереди. Создаётся впечатление, что свет пронизывает человека.(см. фотографию слева).
    Однако если сдвинутся чуть правее или левее от центральной нормали к этому плащу, то будет видно, что это обман. Поэтому необходимо использовать голограммы — это трёхмерное изображение, созданное лазерами. Однако у этого способа тоже существуют свои проблемы в реализации. Первая: необходимо создать голографическую камеру, способную делать по крайней мере 30 снимков в секунду; вторая: хранение и обработка этой информации; третья: проектирование изображения так, чтобы оно выглядело реалистично.

Невидимость через четвертое измерение

    Существует ещё один, куда более хитрый способ становится невидимым, изложенный Гербертом Уэллсом в романе «Человек-невидимка». Этот способ возможен благодаря четвертому измерению. Может ли человек покинуть нашу трёхмерную вселенную и парить над ней, находясь в четвертом измерении? Есть только одна маленькая проблема: существование других измерений ещё не доказано :) Да и путешествие в такое измерение потребовало куда большей энергии, чем имеется в нашем распоряжении в настоящий момент. Конечно, этот способ лежит далеко за пределами наших нынешних знаний и возможностей.

Вывод


    Учитывая громадные успехи, достигнутые на пути к невидимости, вполне можно рассчитывать на появление таких приборов уже в ближайшие несколько десятилетий или в крайнем случае в конце столетия.

    Спасибо за внимание. Надеюсь статья не показалась вам нудной и непонятной.

Используемый материал: Митио Каку «Физика невозможного», Стивен Хокинг «Краткая история времени».

Вопрос. Ответьте, пожалуйста, вот на такой вопрос: «О каком изобретении вы мечтаете больше всего и почему?» Я вот, например, очень хочу какого-нибудь доступного мягкого робота, который бы симулировал противника в бою, так как я увлекаюсь боевыми искусствами, а реального человека не всегда можно найти, чтобы с ним потренироваться.
Tags:
Hubs:
Total votes 214: ↑186 and ↓28 +158
Views 5K
Comments Comments 427