Ћевитаци€? «апросто, особенно в наномире

24.04.2011, 10:31
јвтор: ¬ладимир –оманченко (sai@3dnews.ru)



–аньше и солнце было €рче, и вода мокрее, и... научна€ фантастика была насто€щей.  азалось бы, фантазировать Ц не мешки ворочать, раз Ц выдумал какой-нибудь неведомый антинаучный эффект, а то и дюжину; два Ц обрамил всЄ научно-попул€рное изложение устами одного из главных героев, три Ц добавил бэкграундом (по вкусу) сюжет, психологические страсти; на крайний случай, так и быть, сойдЄт бездарна€ лавстори.

”вы и ах: заходишь в книжный, разгребаешь развалы с новыми именами Ц а там и поживитьс€ нечем, в большинстве случаев фантази€ авторов ограничиваетс€ тривиальным переносом вампирских страстей на улицы ћосквы или похождени€ми какого-нибудь балбеса с менталитетом и замашками ≈мели-на-печи в псевдо-современной обстановке.

—ловом, скучища и банальный пересказ классических сюжетов про  олобка, »лью ћуромца, курочку –€бу, Ѕуратино и пионера ѕетю, завЄрнутые в современные сказочные финтифлюшки и разбавленные в соответствии с авторскими предпочтени€ми юмором или любовными сопл€ми, а чаще всего - сценами с кровищей.

’орошо, что застой в научной фантастике не ведЄт к застою в науке, хот€, раньше исследовател€м всЄ же было проще. ≈сли, к примеру, фантасты придумывали какой-нибудь Ђгиперболоидї, Ђразговоры на рассто€нииї или ЂполЄты по воздухуї, то рано или поздно на свет Ѕожий по€вл€лс€ лазер, мобильник или самолЄт. ”шла стара€ школа фантастов Ц и всЄ, теперь учЄным приходитс€ творить Ђза себ€ и за того парн€ї - сначала выдумывать немыслимое, затем реализовывать на практике.

ќсобенно нагл€дным разрыв стал после того, как фронтир интересных исследований ЂушЄлї в микромир, а затем Ц и в наномир, а воз фантастики Ц научной и не очень, как говоритс€, Ђи ныне тамї. Ђƒорога€, уменьшил детейї, робот Ѕендер Ѕ. –одригес внутри ‘ра€Е „то-нибудь пропустил? ¬р€д ли. Ќе думаю, что не упом€нул что-либо существенное. ћежду тем, нет в наше врем€ идей, открытий и исследований более захватывающих, чем в мире нанотехнологий. ћикросхемы, невидимость, а теперь и левитаци€ - хоть и в масштабах наномира, но от этого не менее интересна€.


ƒл€ начала давайте договоримс€ о том, что же именно будем подразумевать под термином Ђлевитаци€ї и нанолевитаци€.

Ћевитаци€

ѕервоначально термин Ђлевитаци€ї имел отношение исключительно к возможности человека парить в воздухе. »сторические хроники донос€т до нас многочисленные свидетельства демонстрации на публике левитации людьми, в том числе, на глазах у достаточно авторитетных де€телей соответствующей эпохи. “ак, в XVII веке монах-капуцин ƒжузеппе ƒеза, канонизированный впоследствии как »осиф из  опертино, левитировал, то есть, зависал в воздухе перед папой ”рбаном VII, также это €вление наблюдал в своЄ врем€ Ћейбниц. ѕодобные страсти рассказывают о —ерафиме —аровском, архиепископе Ќовгорода и ѕскова, а также о ¬асилии Ѕлаженном, который €кобы был способен не только зависать в воздухе, но и в присутствии многочисленных зрителей перелетать через ћоскву-реку.

Ѕольша€ Ѕританска€ энциклопеди€ определ€ет термин Ђлевитаци€ї как сверхъестественную способность становитьс€ легким по собственному желанию и осуществл€ть подъем тела в воздух без применени€ механизмов. ¬от здесь, пожалуй, и кроетс€ главна€ закавыка: что именно подразумевать под механизмами. »меетс€ в виду, без крыльев, тросов, ходуль; в ту же топку Ц мощные вентил€торы, иначе так можно договоритьс€ до людей, Ђлевитирующихї в аэродинамической трубе.

јкустическа€ левитаци€. Lloyd Smith Research Group
јкустическа€ левитаци€. Lloyd Smith Research Group

–еактивные двигатели и ранцы, магнитна€ подушка и сочетание магнитного пол€ со свойствами сверхпровод€щей керамики, акустическое или просто аэродинамическое Ђотталкиваниеї от поверхности - все эти штуки, вполне применимые в промышленности, ассоциируютс€ с эффектом левитации человеком уже слабее. ѕредположени€ о левитации вследствие приложени€ некой Ђпсихической энергииї тоже придЄтс€ отправить в топку. “очнее, область исследовани€ скрытых возможностей человеческого мозга дл€ биогравитации пока оставим на растерзание современным фантастам. ≈сли интересно моЄ личное мнение, то возможность мозга генерировать энергию любого рода, достаточную дл€ транспортировки вполне себе материального тела весом, скажем, 80 килограмм, € воспринимаю с той же долей скепсиса, что и  арлсон, усомнившийс€ в возможности умещени€ домоправительницы в маленькой коробочке телевизора. ћожет быть, всЄ может быть, но пока смахивает на фантастический бред.

ћагнитна€ левитаци€
ћагнитна€ левитаци€

“ак что давайте пока оставим Ђлевитирующих человековї - равно как и слабо проработанные с научной точки зрени€ вопросы антигравитации, в покое, и рассмотрим Ђтехническую левитациюї в наномире Ц Ђнанолевитациюї, достигаемую с помощью физических сил, пока не исследованных с должной тщательностью. ѕоговорим о новых открыти€х шотландских исследователей, о причудливых правилах квантовой физики и о метаматериалах на базе наноструктур.


Ќа прошлой неделе большинство —ћ» облетела новость о прорыве в исследовани€х левитации, совершЄнном группой учЄных из шотландского университета —в. јндре€ (University of St Andrews School of Physics & Astronomy) под руководством профессора ”льфа Ћеонардта (Ulf Leonhardt) и доктора “омаса ‘илбина (Thomas Philbin).

¬озможно, вам будет любопытно узнать, что эта же команда физиков-теоретиков совсем недавно вызвала фурор в печати исследовани€ми совершенно другого фантастического феномена, а именно, доказала реальность создани€ материалов, способных делать невидимыми людей или достаточно крупные объекты.

ѕарадоксально, но оба исследовани€ Ц и свойств невидимости, и эффекта левитации, св€заны воедино предметом исследовани€ шотландских учЄных, а именно так называемых Ђмета-материаловї, то есть, комплексных гибридных наноструктур из металлов и изол€торов. ѕро неверо€тные оптические свойства метаматериалов вы сможете прочесть в указанной выше статье, а сегодн€ мы исследуем их физические свойства.

ƒл€ удобства описани€ процессов квантовой теории пол€, вакуум с физической точки зрени€ описывают как процесс взаимодействи€ объектов с виртуальными частицам. ¬акуум Ц это не пустота, но среду взаимодействи€ виртуальных частиц и античастиц с сопутствующими флуктуаци€ми св€занных с ними полей, например, рождаютс€ и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всему спектру электромагнитных волн. ¬ случае же близкого взаимодействи€ зеркальных поверхностей на резонансных рассто€ни€х, кратных целым или полуцелым длинам волн, возможно значительное усиление электромагнитной активности, подавл€емое дл€ более длинных волн. “о есть, между этими поверхност€ми, наход€щимис€ на резонансных рассто€ни€х, возникновение виртуальных фотонов количественно превышает тот же процесс снаружи. Ёффект от этого - самое насто€щее прит€жение поверхностей, по силе обратно пропорциональное четвертой степени рассто€ни€, то есть, значительно возрастающее по мере уменьшени€ количества резонансных длин волн между объектами.

—колько-нибудь измеримой сила этого взаимодействи€ становитс€ лишь на достаточно малых рассто€ни€х между объектами, однако уже на уровне субмикронных длин эта сила становитс€ достаточно сильной и доминирующей Ц разумеетс€, если речь идЄт о не зар€жЄнных проводниках. Ѕолее того, на рассто€нии пор€дка 10 нм, что сравнимо с сотней размеров атомов, эта сила примерно эквивалентна давлению в 1 атмосферу.

Ёффект  азимира

¬первые эффект возникновени€ физической силы, вызываемой взаимодействием между двум€ провод€щими незар€женными объектами при резонансе энергетических полей был предсказан и теоретически сформулирован голландскими физиками ’ендриком  азимиром (Hendrik B. G. Casimir) и ƒирком ѕолдером (Dirk Polder), работавшими в Philips Research Labs, ещЄ в 1948 году. — тех пор физики так его и называют - Ёффект  азимира (Casimir Effect), или —ила  азимира-ѕолдера (Casimir-Polder Force).

“еори€ была подтверждена практическими экспериментами, наиболее точными из которых оказались исследовани€ 1997 года. ¬ современной теоретической физике эффект  азимира играет важную роль в описании киральной модели субъ€дерной частицы атома Ц нуклона. „то же касаетс€ прикладной физики, изучение этого эффекта приобретает в наше врем€ очень важную роль в исследовани€х возможностей и свойств наноматериалов.

ѕоверьте мне, переводить научные формулировки в научно-попул€рный вид Ц зан€тие достаточно неблагодарное, к тому же чреватое дичайшими упрощени€ми, что может только запутать понимание физической сути €влени€. ѕоэтому всем, кто интересуетс€ подробност€ми и формулами, могу предложить список первоисточников, изложенный в конце этой статьи, а мы продолжим дальше в том же духе, не углубл€€сь в основные постулаты квантовой механики более, чем это требуетс€ дл€ подобного повествовани€.

¬от теперь Ц самое интересное: учЄные также вы€снили, что €вление вполне актуально и дл€ поверхностей со сложной геометрией. ј что если использовать дл€ исследований материалы, пропускающие электромагнитные волны, но при этом обладающие отрицательным коэффициентом преломлени€? «анима€сь изучением свойств таких материалов, в природе, кстати, не встречающихс€, учЄные рано или поздно должны были прийти к подобной мысли.

¬от, собственно говор€, и вс€ подоплЄка изобретени€ Ђэффекта левитацииї в упрощЄнном изложении: шотландские учЄные, исследовавшие свойства метаматериалов на основе гибридных наноструктур из металлов и изол€торов, как раз и вы€снили, что при определЄнной геометрии поверхностей эффект  азимира, обычно прит€гивающий объекты, образно говор€, может Ђобзавестисьї знаком минус, то есть, объекты попросту начнут отталкивать друг друга. ¬ принципе, это очень похоже на эффект магнитной левитации, с той лишь разницей, что речь идЄт о немагнитных материалах, и масштабы измер€ютс€ дол€ми микрона.

ќтрицательный коэффициент преломлени€

“ем не менее, буквально на наших глазах левитаци€ превращаетс€ из исключительно фантастического сверхъестественного €влени€ в научный факт - по крайней мере, если и не реализованный на сегодн€шний день на практике и актуальный только дл€ наномира, но вполне реальный - в рамках теории. Ёто не гравитаци€, не электричество, не магнитный или акустический эффект, но до практического использовани€ пока далеко.

ќтрицательный коэффициент преломлени€

— другой стороны, в статье, опубликованной на дн€х в New Journal of Physics, профессор ”льф Ћеонардт и доктор “омас ‘илбин сообщают, что в их лаборатории уже сконструированы специальные Ђлинзыї из метаматериалов с отрицательной рефракцией (Left-handed, или negatively-refracting lens) дл€ проведени€ практических опытов по подтверждению обратного эффекта  азимира, и она опробована на практике. —уть эксперимента сводитс€ к размещению Ђсэндвичаї из Ђидеальных линз с отрицательным коэффициентом преломлени€ї между двум€ объектами. Ђ„то за зверь такойї - отрицательный коэффициент преломлени€, в дальнем приближении несколько объ€сн€ет рисунок ниже.

ќтрицательный коэффициент преломлени€

¬ насто€щее врем€ по€вились публикации о том, что американские учЄные - в частности, команда доктора ‘редерика  апассо (Dr Frederico Capasso) из √арвардского ”ниверситета (Harvard University), —Ўј, также ведЄт практические исследовани€ по управлению эффектом  азимира и, по данным The Scotsmen, в ближайшее врем€ планирует подтвердить результаты опытов шотландских коллег.

линзы с отрицательным коэффициентом преломлени€
”становка дл€ тестировани€ эффекта нанолевитации

–азумеетс€, практическа€ сторона использовани€ таких линз и систем пока что лежит вдалеке от воплощени€ идей вроде Ђклассическойї левитации. ѕока что Ц никаких ѕитеров ѕенов: вр€д ли в обозримом будущем мы увидим господина „еловека-ѕаука, бодро шарахающегос€ по стенам небоскрЄбов с помощью присосок на эффекте  азимира; увы, пока не стоит ожидать и самолЄтов-автомобилей-велосипедов Ц даже скейтбордов, пар€щих в воздухе с помощью обратного эффекта  азимира Ц скорее уж антигравитацию доведут до ума.

» всЄ же практика применени€ Ђнанолевитацииї может оказатьс€ неизмеримо важнее тривиальных транспортных идей. ”же сейчас технологии, особенно в электронике, оперируют размерами в дес€тки нанометров, и буквально в ближайший дес€ток лет счЄт пойдЄт на единицы. ѕредставьте себе дл€ примера, что Ђнанолевитаци€ї на соответствующем наноуровне сможет помочь избавитьс€ от вечного врага механических систем Ц трени€!

ѕрофессор Ћеонардт так высказываетс€ об этом:

УThe Casimir force is the ultimate cause of friction in the nano-world, in particular in some microelectromechanical systems.

»ными словами, профессор считает силу  азимира первопричиной эффекта трени€ дл€ €влений наномасштабов, в особенности это относитс€ и к микроэлектромеханическим системам (MEMS). “аким образом, нанолевитаци€ на базе метаматериалов поможет создавать механизмы, полностью лишЄнные трени€.  стати, сила  азимира, сравнима€ на наноуровн€х с эффектом Ђприлипани€ї лапок мухи к потолку, уже сейчас €вл€етс€ серьЄзной проблемой дл€ многих разработчиков нанотехнологий, особенно в полупроводниковой промышленности, так что можно сказать с уверенностью, что новое открытие подоспело воврем€.

MEMS

ƒальше можете отпускать свою фантазию в полный творческий полЄт. »де€ может быть реализована в крохотных, чуть ли не вживл€емых в организм человека электронно-механических медицинских Ђлаборатори€х в наночипеї, измер€ющих все ключевые параметры крови в режиме Non-Stop или тестирующие продукты или лекарства на пригодность. Ёто могут быть сверхминиатюрные триггеры, ответственные за срабатывание подушек безопасности в автомобиле. Ќе исключено, что в будущем именно вы будете генерировать интересные идеи, и, может быть, некоторые ваши Ђнаноидеи с нанолевитациейї со временем будут реализованы на практике или хот€ бы попадут в научную фантастикуЕ

 стати, по вопросу левитации крупных объектов, например, человека, учЄные не зарекаютс€, хот€ и не говор€т пока ничего конкретного. “еоретически возможно и это, хот€ до воплощени€ подобных идей на практике пройдЄт ещЄ немало времени.

Ћевитаци€

 лючевые слова:
левитаци€
левитирующий человек
Ћевитаци€? «апросто
особенно в наномире
Ќовости робототехники
робот
робототехника


¬ернутьс€ в рубрику:

Ќовости робототехники


≈сли вы хотите видеть на нашем сайте больше статей то кликните ѕоделитьс€ в социальных сет€х! —пасибо!
—мотрите также:

ќбратите внимание полезна€ информаци€.