MICHIO KAKUFIZYKA RZECZY NIEMOLIWYCHNAUKOWA WYPRAWA DO WIATA FAZERW, PL SIOWYCH, TELEPORTACJI I PODRY W CZASIE

Przeoyli: Bogumi Bieniok i Ewa L. okas

Tytu oryginau Physics of the Impossible. A Scientific Exploration into the World of Phasers, Force Fields, Teleportation, and Time Travel

Mojej kochajcej onie Shizue oraz Michelle i Alyson1

SPIS RZECZYWstp i podzikowania Podzikowania Cz I. Niemoliwoci typu 1 Rozdzia 1. Pola si Rozdzia 2. Niewidzialno Rozdzia 3. Fazery i gwiazdy mierci Rozdzia 4. Teleportacja Rozdzia 5. Telepatia Rozdzia 6. Psychokineza Rozdzia 7. Roboty Rozdzia 8. Istoty pozaziemskie i UFO Rozdzia 9. Statki kosmiczne Rozdzia 10. Antymateria i antywszechwiaty Cz II. Niemoliwoci typu II Rozdzia 11. Szybciej od wiata Rozdzia 12. Podre w czasie Rozdzia 13. Wszechwiaty rwnolege Cz. III. Niemoliwoci typy III Rozdzia 14 Perpetuum mobile Rozdzia 15. Prekognicja Epilog. Przyszo rzeczy niemoliwych Przypisy Bibliografia Literatura w jzyku polskim Literatura w jzyku angielskim

2

WSTP I PODZIKOWANIAJeeli na samym pocztku idea nie wydaje si absurdalna, nie ma dla niej adnej nadziei. - Albert Einstein Czy bdziemy kiedy potrafili przechodzi przez ciany? Budowa statki kosmiczne poruszajce si szybciej od wiata? Odczytywa myli innych osb? Sta si niewidzialnymi? Przesuwa przedmioty si samych myli? Przesya nasze ciaa w mgnieniu oka w inny zaktek przestrzeni kosmicznej? Pytania te fascynuj mnie od dziecistwa. Gdy dorastaem, pocigaa mnie, jak wielu innych fizykw, moliwo podry w czasie, istnienia broni strzelajcej wizkami energii, pl siowych, wszechwiatw rwnolegych i tym podobnych. Magia, fantazja i fantastyka naukowa razem tworzyy olbrzymi plac zabaw dla mojej wyobrani. Zapocztkoway trwajce przez cae ycie zauroczenie tym, co niemoliwe. Pamitam, jak ogldaem w telewizji powtrki serialu Flash Gordon. W kad sobot wpatrywaem si w telewizor, podziwiajc przygody Flasha, dr. Zarkova i Dale Arden, zachwycajc si otaczajcym ich przepychem futurystycznej techniki: statkami kosmicznymi, tarczami niewidzialnoci, dziaami wystrzeliwujcymi wizki energii i unoszcymi si na niebie miastami. Nie przegapiem ani jednego odcinka. Film ten otworzy przede mn cakowicie nowy wiat. Uwielbiaem wyobraa sobie, e kiedy polec rakiet na jak obc planet, eby bada jej niezwyk powierzchni. Zostaem wcignity na orbit tych fantastycznych wynalazkw i wiedziaem, e moje przeznaczenie musi by w jaki sposb zwizane z wszystkimi obiecywanymi w serialu cudami nauki. Jak si okazuje, nie byem w tym przewiadczeniu odosobniony. Wielu spenionych naukowcw zainteresowao si nauk dziki fantastyce naukowej. Wielkiego astronoma Edwina Hubble'a zainspiroway dziea Juliusza Verne'a. Wanie pod wpywem lektury ksiek tego pisarza Hubble postanowi porzuci obiecujc karier prawnicz i zaj si nauk. W efekcie zosta najwikszym astronomem XX wieku. Wyobrania Carla Sagana, uznanego astronoma i autora wielu bestsellerw, rozbudzia si po przeczytaniu serii ksiek Edgara Rice'a Burroughsa o Johnie Carterze z Marsa. Sagan marzy, e ktrego dnia, tak jak John Carter, bdzie bada piaski Marsa. W dniu, w ktrym zmar Albert Einstein, byem jeszcze dzieckiem, ale pamitam, jak ludzie mwili ciszonym gosem o jego yciu i mierci. Nastpnego dnia zobaczyem w gazecie zdjcie jego biurka, a na nim rkopis najwikszego, nieukoczonego dziea Einsteina. Zastanowio mnie, co mogo by tak doniose, e najwikszy umys naszych czasw nie potrafi tego dokoczy? W artykule przeczytaem, e Einstein zajmowa si niemoliwym do spenienia marzeniem, problemem tak trudnym, e adna miertelna istota nie moe sobie z nim poradzi. Potrzebowaem wielu lat, by odkry, czego dotyczy ten rkopis: by on powicony wielkiej, 3

jednoczcej

teorii

wszystkiego.

Marzenie

uczonego

-

ktremu powici

ostatnie trzy

dziesiciolecia ycia - pomogo mi lepiej spoytkowa wasn wyobrani. Zapragnem, cho w niewielkim stopniu, by czci tego wysiku majcego na celu dokoczenie pracy Einsteina i zjednoczenie praw fizyki w jednej teorii. Gdy dorastaem, powoli zaczo do mnie dociera, e chocia to Flash Gordon by bohaterem i zawsze podbija serce piknej dziewczyny, ciar caego serialu spoczywa na uczonym. Bez dr. Zarkova nie byoby statkw kosmicznych, wypraw na Mongo ani ratowania Ziemi. Nie ujmujc nic bohaterom, bez nauki nie ma fantastyki naukowej. Uwiadomiem te sobie, e wszystkie te opowieci z naukowego punktu widzenia s niemoliwe, stanowi jedynie wytwr wyobrani. Dorastanie wymaga porzucenia takich fantazji. W prawdziwym yciu, mwiono mi, trzeba pozby si mrzonek i zaj czym praktycznym. Ja jednak doszedem do wniosku, e jeeli dalej chc si zajmowa tym, co niemoliwe, musz to robi na gruncie fizyki. Bez solidnego przygotowania z zaawansowanej fizyki do koca ycia bd jedynie spekulowa na temat futurystycznych rozwiza technicznych, nie rozumiejc, czy s one w ogle moliwe. Zrozumiaem, e musz si zagbi w zaawansowan matematyk i nauczy fizyki teoretycznej. I tak te zrobiem. Kiedy w szkole redniej zorganizowano festiwal nauki, zbudowaem z tej okazji w garau mamy rozbijacz atomw. Udaem si do zakadw Westinghouse'a i zebraem 200 kilogramw cinkw stali transformatorowej. W czasie Boego Narodzenia" na szkolnym boisku do footballu rozwinem 35 kilometrw miedzianego drutu. W efekcie zbudowaem akcelerator czstek, betatron, o mocy 2,3 miliona elektronowoltw, ktry zuy 6 kilowatw mocy (ca moc dostpn w naszym domu) i wygenerowa pole magnetyczne 20 tysicy razy silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. Moim celem byo uzyskanie wizki promieni gamma wystarczajco silnej do wytworzenia antymaterii. Dziki temu projektowi wziem udzia w Narodowym Festiwalu Nauki i w kocu speniem swoje marzenie, zdobywajc stypendium na studia w Uniwersytecie Harvarda, gdzie mogem, tak jak sobie planowaem, zosta fizykiem teoretykiem i poda ladami czowieka bdcego dla mnie przykadem - Alberta Einsteina. Teraz dostaj e-maile od autorw literatury fantastycznonaukowej i scenarzystw, w ktrych prosz mnie, abym pomg uatrakcyjni ich opowieci, opisujc granice praw fizyki. Niemoliwe" jest pojciem wzgldnym Jako fizyk nauczyem si, e okrelenie niemoliwe" jest czsto wzgldne. Przypominam sobie, jak kiedy nauczycielka podesza do mapy Ziemi i wskazaa linie brzegowe Ameryki Poudniowej i Afryki. Czy to nie dziwny przypadek - powiedziaa - e linie te pasuj do siebie, niemal jak dwa kawaki ukadanki? Niektrzy uczeni - cigna - wysuwaj hipotez, e by moe byy one kiedy czci jednego, olbrzymiego kontynentu. Ale to gupie. adna sia nie mogaby rozsun dwch wielkich kontynentw. Takie mylenie jest absurdalne - dodaa na zakoczenie. Tego samego roku uczylimy si o dinozaurach. Czy to nie dziwne - mwia nasza nauczycielka 4

- e dinozaury panoway niepodzielnie na Ziemi przez miliony lat, a potem jednego dnia wszystkie znikny? Nikt nie wie, dlaczego wyginy. Niektrzy paleontolodzy przypuszczaj, e moe ich mier spowodowa meteor z kosmosu, ale to niemoliwe, taki pomys bardziej pasuje do fantastyki naukowej. Dzisiaj wiemy, e na skutek tektoniki pyt kontynenty jednak si przemieszczaj oraz e 65 milionw lat temu olbrzymi meteor o rednicy 10 kilometrw najprawdopodobniej spowodowa wyginicie dinozaurw i wikszej czci istot ywych na Ziemi. W czasie mojego krtkiego ycia wielokrotnie byem wiadkiem, jak co, zdawaoby si niemoliwego, staje si uznanym faktem naukowym. Czy nie moemy wic przypuszcza, e kiedy bdziemy potrafili teleportowa si z jednego miejsca w inne lub budowa statki kosmiczne, ktrymi polecimy do gwiazd odlegych o lata wietlne? Dzisiejsi fizycy zwykle uwaaj takie wyczyny za co niemoliwego. Ale czy mog one sta si realne za kilkaset lat? Albo za dziesi tysicy lat, gdy nasza technika bdzie jeszcze bardziej zaawansowana? A moe za milion lat? Ujmijmy to jeszcze inaczej - gdybymy mogli w jaki sposb spotka cywilizacj wyprzedzajc nas o milion lat, czy uywana przez nich na co dzie technika byaby dla nas magi? Pytanie to, jego sens, jest jedn z kluczowych kwestii przewijajcych si w tej ksice: czy jedynie dlatego, e co jest dzisiaj niemoliwe", pozostanie niemoliwe przez kolejne wieki czy miliony lat? Biorc pod uwag niezwyke postpy nauki w ostatnim stuleciu, w szczeglnoci powstanie teorii kwantowej i oglnej teorii wzgldnoci, moemy oszacowa w przyblieniu, kiedy, jeeli w ogle, niektre z tych fantastycznych rozwiza technicznych mog si zici. Wraz z pojawieniem si jeszcze bardziej zaawansowanych teorii, takich jak teoria strun, nawet pojcia ocierajce si o fantastyk naukow, jak podre w czasie i wszechwiaty rwnolege, s obecnie na nowo analizowane przez fizykw. Pomylmy o tych postpach techniki, ktre 150 lat temu uczeni okrelali jako niemoliwe", a ktre teraz stay si czci naszej codziennoci. W 1863 roku Juliusz Verne napisa powie Pary w XX wieku. Ksika ta, ukryta, leaa w zapomnieniu przez ponad wiek, a do jej przypadkowego odkrycia przez prawnuka autora i wydania w 1994 roku. W powieci tej Verne wyobraa sobie, jak mgby wyglda Pary w roku 1960. Ksika pena jest opisw cudw techniki, ktre w XIX wieku bez wtpienia uwaano za niemoliwe, midzy innymi faks, oglnowiatow sie komunikacyjn, szklane drapacze chmur, napdzane benzyn pojazdy i pocigi szybkobiene, poruszajce si po pooonych nad ziemi torach. Nie powinno nas dziwi, e Verne potrafi przewidzie to wszystko z niezwyk dokadnoci, poniewa zewszd otacza go wiat nauki i cigle wypytywa uczonych o informacje. Gboki szacunek dla podstaw nauki pozwoli mu doj do tak zadziwiajcych przewidywa. Niestety, niektrzy z najwikszych uczonych XIX wieku przyjli przeciwn postaw i oznajmili, e pewne rozwizania techniczne s cakowicie niemoliwe. Lord Kelvin, prawdopodobnie najznamienitszy fizyk epoki wiktoriaskiej (pochowany w Opactwie Westminsterskim obok Isaaca Newtona), stwierdzi, e niemoliwoci jest istnienie urzdze latajcych ciszych od 5

powietrza", takich jak samoloty. Uwaa, e promienie Rontgena s oszustwem, a radio nie ma przyszoci. Lord Rutherford, ktry odkry jdro atomowe, odrzuci moliwo zbudowania bomby atomowej, nazywajc takie rozwaania bredniami". Chemicy w XIX wieku stwierdzili, e poszukiwanie kamienia filozoficznego, fantastycznej substancji zamieniajcej ow w zoto, to naukowa lepa uliczka. Dziewitnastowieczna chemia opieraa si na zaoeniu niezmiennoci pierwiastkw, takich jak ow. A jednak posugujc si dzisiejszymi rozbijaczami atomw, moemy, w zasadzie, zmieni atomy oowiu w zoto. Wyobramy sobie, jak fantastyczne wydawayby si na pocztku XX wieku uywane przez nas obecnie telewizory, komputery i Internet. Przechodzc do troch bliszych nam czasw, zauwamy, e rwnie czarne dziury uwaane kiedy byy za fantastyk naukow. Sam Einstein napisa w 1939 roku artyku, w ktrym dowodzi", e czarne dziury nie mog powstawa. A jednak Kosmiczny Teleskop Hubble'a i rentgenowski teleskop Chandra odkryy ju w przestrzeni kosmicznej tysice czarnych dziur. Powodem, dla ktrego te rozwizania techniczne uznano za niemoliwe", jest to, e w XIX i na pocztku XX wieku nie znano podstawowych praw fizyki i nauki w ogle. Jeeli uwiadomimy sobie, jak wielkie w tamtych czasach byy luki w rozumieniu nauki, szczeglnie na poziomie atomowym, nie powinno nas dziwi, e takie postpy uznawano za niemoliwe. Badanie rzeczy niemoliwych Na ironi zakrawa fakt, e powane badania rzeczy niemoliwych czsto pozwalay odkry bogate i cakowicie nieoczekiwane obszary nauki. Na przykad prowadzone przez cae stulecia bezowocne poszukiwania perpetuum mobile doprowadziy fizykw do wniosku, e takiego urzdzenia nie mona skonstruowa, co z kolei zaowocowao sformuowaniem zasady zachowania energii i trzech praw termodynamiki. W ten sposb bezskuteczne prby zbudowania perpetuum mobile pozwoliy rozwin cakowicie now ga termodynamiki, ktra przyczynia si do powstania silnika parowego, narodzin epoki maszyn i nowoczesnego spoeczestwa przemysowego. Pod koniec XIX wieku uczeni zdecydowali, e to niemoliwe", eby Ziemia liczya sobie miliardy lat. Lord Kelvin stwierdzi stanowczo, e roztopiona Ziemia ochodziaby si w cigu 20-40 milionw lat, co stoi w sprzecznoci z twierdzeniami geologw i darwinistw, utrzymujcych, i Ziemia moe mie miliardy lat. Ostatecznie jednak udowodniono, e to moliwe, dziki odkryciu przez Mari Skodowsk-Curie i innych uczonych siy jdrowej i wykazaniu, e jdro Ziemi, ogrzewane przez rozpad radioaktywny, rzeczywicie mogoby utrzymywa si w stanie ciekym przez miliardy lat. Ignorujc rzeczy niemoliwe, robimy to na wasne ryzyko. W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku Robert Goddard, twrca wspczesnej techniki rakietowej, spotka si ze zdecydowan krytyk ze strony ludzi, ktrzy twierdzili, e rakiety nigdy nie bd mogy lata w przestrzeni kosmicznej. Przemiewczo nazywali jego poszukiwania wariactwem Goddarda". W roku 1921 redaktorzy New York Timesa" tak wymiewali prac dr. Goddarda: Profesor Goddard nie rozumie zwizku pomidzy akcj i reakcj, nie uwiadamia sobie koniecznoci dysponowania czym 6

lepszym ni prnia, co mogoby spowodowa reakcj. Wydaje si, e brakuje mu podstawowej wiedzy, ktr codziennie wbija si do gowy uczniom szk rednich". Rakiety nie mog lata w przestrzeni kosmicznej, twierdzili oburzeni redaktorzy, poniewa nie ma tam powietrza, od ktrego mona si odpycha. Niestety, przywdca pewnego kraju powanie potraktowa wnioski wypywajce z niemoliwych" rakiet Goddarda - by nim Adolf Hitler. W czasie II wojny wiatowej niemiecki ostrza niezwykle zaawansowanymi technicznie rakietami V-2 sia w Londynie mier i zniszczenie, niemal doprowadzajc do jego kapitulacji. Badajc rzeczy niemoliwe, moemy rwnie zmieni bieg historii wiata. W latach trzydziestych XX wieku powszechnie uwaano, a pogld ten podziela nawet Einstein, e bomba atomowa jest niemoliwa". Fizycy wiedzieli, e gboko we wntrzu jdra atomowego, zgodnie z rwnaniem Einsteina E = mc2, uwiziona jest olbrzymia ilo energii, ale uwaali, i energia wyzwolona z jednego jdra atomowego jest tak maa, e nie warto jej nawet rozwaa. Jednak fizyk atomowy Le Szilard przypomnia sobie powie H.G. Wellsa z 1914 roku, The World Set Free (Uwolniony wiat), w ktrej autor przewiduje powstanie bomby atomowej. W ksice znajduje si stwierdzenie, e tajemnica bomby atomowej zostanie rozwizana przez pewnego fizyka w 1933 roku. Szilard natkn si przypadkiem na t ksik w roku 1932. Zainspirowany powieci, w 1933 roku, dokadnie tak jak przepowiedzia Wells kilkadziesit lat wczeniej, wpad na pomys wzmocnienia siy pojedynczego atomu poprzez wywoanie reakcji acuchowej, w wyniku ktrej energia rozszczepienia pojedynczego jdra uranu moe ulec wzmocnieniu o czynnik wielu bilionw. Szilard doprowadzi wtedy do wykonania serii kluczowych eksperymentw i przeprowadzenia potajemnych negocjacji midzy Einsteinem a prezydentem Franklinem Rooseveltem, ktre w ostatecznym rozrachunku doprowadziy do uruchomienia Projektu Manhattan" i zbudowania bomby atomowej. Cigle na nowo przekonujemy si, e badanie rzeczy niemoliwych otwiera przed nami zupenie nowe perspektywy, przesuwa granice fizyki i chemii, i zmusza uczonych do zastanowienia si na nowo, co rozumiej przez sowo niemoliwe. Sir William Osler powiedzia kiedy: Filozofie jednej epoki staj si absurdami kolejnej; a niedorzecznoci dnia wczorajszego staj si mdrociami jutra". Wielu fizykw podziela synne powiedzenie T.H. White'a, ktry w By sobie raz na zawsze krl napisa: Wszystko, co nie jest zabronione, jest obowizkowe!" 1 . W fizyce cigle znajdujemy dowody na potwierdzenie tej tezy. Jeeli nie istnieje prawo fizyki wyranie zakazujce istnienia jakiego nowego zjawiska, w kocu odkrywamy, e ono wystpuje. (Zachodzio to kilkakrotnie w trakcie poszukiwa nowych czstek subatomowych. Badajc granice tego, co zakazane, fizycy, czsto nieoczekiwanie, odkrywali nowe prawa fizyki)2. Wnioskiem wypywajcym ze stwierdzenia

T.H. White, By sobie raz na zawsze krl: Miecz dla krla, prze. J. Kozak, wiat Ksiki, Warszawa 1999, s. 155 (przyp. tum.). 2 Dzieje si tak za spraw teorii kwantowej. Gdy do jakiej teorii dodaje si wszystkie moliwe poprawki kwantowe (w mudnym procesie zwanym renormalizacj), okazuje si, e zjawiska, ktre wczeniej w klasycznym ujciu byy niemoliwe, ponownie pojawiaj si w obliczeniach. Oznacza to, e jeeli tylko co1

7

T.H. White'a moe by: Wszystko, co nie jest niemoliwe, jest obowizkowe!". Kosmolog Stephen Hawking prbowa na przykad udowodni, e podre w czasie s niemoliwe, starajc si odkry nowe prawo fizyki, nazwane przez niego zaoeniem o ochronie chronologii", ktre by ich zakazywao. Niestety, mimo wielu lat cikiej pracy nie udao mu si udowodni tej zasady. W rzeczywistoci stao si co przeciwnego, fizycy dowiedli, e prawo zabraniajce podry w czasie jest poza zasigiem naszej obecnej matematyki. Poniewa nie istnieje aktualnie prawo fizyki zabraniajce istnienia wehikuw czasu, fizycy musz traktowa tak moliwo bardzo powanie. Celem tej ksiki jest zastanowienie si, ktre rozwizania techniczne uwaane obecnie za niemoliwe" maj szans sta si za kilkadziesit, kilkaset lat czci naszej codziennoci. Ju teraz jedno z niemoliwych" rozwiza technicznych okazuje si moliwe: chodzi o zjawisko teleportacji (przynajmniej na poziomie atomowym). Jeszcze zaledwie kilka lat temu fizycy stwierdziliby, e przesyanie obiektu z jednego miejsca w inne stanowi pogwacenie praw fizyki kwantowej. Scenarzyci serialu telewizyjnego Star Trek byli tak nkani krytycznymi uwagami fizykw, e do swoich urzdze teleportujcych dodali kompensatory Heisenberga", aby poradzi sobie z tym problemem. Dzisiaj, dziki niedawno osignitemu przeomowi, fizycy mog teleportowa atomy na drugi koniec pomieszczenia lub fotony na drugi brzeg piknego modrego Dunaju. Przewidywanie przyszoci Wysuwanie hipotez na temat przyszoci jest zawsze troch ryzykowne, szczeglnie jeeli dotycz one czasw odlegych o setki czy tysice lat. Fizyk Niels Bohr lubi powtarza: Formuowanie przewidywa jest bardzo trudne. Zwaszcza tych dotyczcych przyszoci". Istnieje jednak pewna zasadnicza rnica midzy czasami Juliusza Verne'a a wspczesnymi. Dzisiaj w zasadzie rozumiemy podstawowe prawa fizyki. Obecnie fizycy rozumiej podstawowe prawa w imponujcym zakresie 43 rzdw wielkoci, od wntrza protonu po rozszerzajcy si Wszechwiat. W efekcie, mog okreli z du pewnoci, jak w oglnych zarysach moe wyglda technika przyszoci, a take lepiej odrni te pomysy, ktre s jedynie nieprawdopodobne, od tych, ktre s zupenie niemoliwe. W tej ksice dziel zatem rzeczy niemoliwe" na trzy kategorie. Pierwsz grup nazywam Niemoliwociami typu I. S to rozwizania techniczne obecnie niemoliwe do osignicia, ale niebdce w sprzecznoci z adnymi znanymi prawami fizyki. By moe wic uda si je zrealizowa w jakiej zmodyfikowanej postaci jeszcze w tym wieku albo w nastpnym. W kategorii tej mieszcz si: teleportacja, silniki na antymateri, pewne odmiany telepatii, psychokineza i niewidzialno. Druga grupa nosi nazw Niemoliwoci typu II. S to rozwizania techniczne lece na granicy naszego rozumienia wiata fizycznego. Jeeli w ogle s moliwe, moe uda si je

nie jest jednoznacznie zabronione (na przykad przez prawo zachowania), pojawia si w teorii po

8

zrealizowa za tysice albo miliony lat. Zaliczaj si do nich wehikuy czasu, moliwo podry hiperprzestrzennych i przemieszczanie si przez tunele czasoprzestrzenne. Ostatnia grupa to Niemoliwoci typu III. S to rozwizania techniczne bdce w sprzecznoci ze znanymi prawami fizyki. To zadziwiajce, ale bardzo niewiele rozwiza mona zaliczy do tej kategorii. Jeeli jednak okae si, e ich realizacja jest moliwa, bdzie to wymagao dokonania gbokich zmian w naszym rozumieniu fizyki. W moim odczuciu taki podzia jest wany, poniewa uczeni odrzucaj tak wiele rozwiza technicznych pojawiajcych si w fantastyce naukowej, twierdzc, e s zupenie niemoliwe, podczas gdy w rzeczywistoci chodzi im o to, e s one niemoliwe do zrealizowania przez prymitywne cywilizacje, takie jak nasza. Na przykad zwyko si uwaa, e odwiedziny obcych istot nie s moliwe z powodu olbrzymich odlegoci dzielcych od siebie gwiazdy. Ale chocia podre midzygwiezdne bez wtpienia s poza zasigiem moliwoci technicznych naszej cywilizacji, w przypadku cywilizacji wyprzedzajcych nas w rozwoju o tysice lub miliony lat mog one by realne. Wana jest wic odpowiednia klasyfikacja takich niemoliwoci". Rozwizania techniczne niemoliwe do osignicia przez nasz obecn cywilizacj niekoniecznie musz by niemoliwe dla wszelkich innych rodzajw cywilizacji. Wypowiadajc si na temat tego, co jest moliwe, a co nie, musimy bra pod uwag poziom techniki, jaki osigniemy za tysice, a nawet miliony lat. Carl Sagan napisa kiedy: Co dla cywilizacji oznacza osignicie wieku miliona lat? My od kilkudziesiciu lat dysponujemy radioteleskopami i statkami kosmicznymi; nasza cywilizacja techniczna liczy sobie kilkaset lat [...] zaawansowana cywilizacja rozwijajca si przez miliony lat wyprzedza nas tak, jak my wyprzedzamy mapiatki czy makaki". We wasnych pracach badawczych skupiam si na prbie dokoczenia realizacji marzenia Einsteina o teorii wszystkiego". Praca nad teori ostateczn jest dla mnie niezwykle ekscytujca teoria ta moe jednoznacznie rozwiza niektre z najtrudniejszych, kwestii wspczesnej nauki dotyczcych niemoliwego", takich jak pytania o to, czy moliwe s podre w czasie, co znajduje si w rodku czarnej dziury lub co si wydarzyo przed Wielkim Wybuchem. Wci oddaj si marzeniom, rozmylam o moim trwajcym cae ycie zauroczeniu tym, co niemoliwe i zastanawiam si, czy ktre z tych niemoliwych rzeczy pewnego dnia stan si czci naszej codziennoci. Podzikowania Informacje zawarte w tej ksice dotycz wielu gazi i dziedzin nauki, a take prac wielu wybitnych uczonych. Nastpujce osoby powiciy swj czas na dugie wywiady, konsultacje i ciekawe, inspirujce rozmowy - jestem im za to niewymownie wdziczny: Leon Lederman, laureat Nagrody Nobla, Illinois Institute of Technology Murray Gell-Mann, laureat Nagrody Nobla, Santa Fe Institute i Cal Tech

uwzgldnieniu poprawek kwantowych.

9

Henry Kendall, laureat Nagrody Nobla, MIT Steven Weinberg, laureat Nagrody Nobla, University of Texas w Austin David Gross, laureat Nagrody Nobla, Kavli Institute for Theoretical Physics Frank Wilczek, laureat Nagrody Nobla, MIT Joseph Rotblat, laureat Nagrody Nobla, St. Bartholomew's Hospital Walter Gilbert, laureat Nagrody Nobla, Harvard University Gerald Edelman, laureat Nagrody Nobla, Scripps Research Institute Peter Doherty, laureat Nagrody Nobla, St. Jude Children's Research Hospital Jared Diamond, zdobywca Nagrody Pulitzera, UCLA Stan Lee, zaoyciel wydawnictwa Marvel Comics i twrca Spidermana Brian Greene, Columbia University, autor ksiki Pikno Wszechwiata Lisa Randall, Harvard University, autorka ksiki Warped Passages Lawrence Krauss, Case Western University, autor ksiki Fizyka podry midzygwiezdnych J. Richard Gott III, Princeton University, autor ksiki Time Travel in Einstein's Universe Alan Guth, fizyk, MIT, autor ksiki Wszechwiat inflacyjny John Barrow, fizyk, Cambridge University, autor ksiki Kres moliwoci? Paul Davies, fizyk, autor ksiki Superforce Leonard Susskind, fizyk, Stanford University Joseph Lykken, fizyk, Fermi National Laboratory Marvin Minsky, MIT, autor ksiki The Society of Minds Ray Kurzweil, wynalazca, autor ksiki The Age of Spiritual Machines Rodney Brooks, dyrektor Artificial Intelligence Laboratory w MIT Hans Moravec, autor ksiki Robot Ken Croswell, astronom, autor ksiki Magnificent Universe Don Goldsmith, astronom, autor ksiki Runaway Universe Neil de Grasse Tyson, dyrektor Hayden Planetarium, Nowy Jork Robert Kirshner, astronom, Harvard University Fulvia Melia, astronom, University of Arizona Sir Martin Rees, Cambridge University, autor ksiki Przed pocztkiem Michael Brown, astronom, Cal Tech Paul Gilster, autor ksiki Centauri Dreams Michael Memonick, redaktor artykuw naukowych w czasopimie Time" Timothy Ferris, University of California, autor ksiki Corning of Age in the Milky Way Ted Taylor, projektant amerykaskich gowic jdrowych Freeman Dyson, Institute for Advanced Study, Princeton John Horgan, Stevens Institute of Technology, autor ksiki Koniec nauki Carl Sagan, Cornell University, autor ksiki Kosmos Ann Druyan, wdowa po Carlu Saganie, Cosmos Studios 10

Peter Schwarz, futurolog, zaoyciel Global Business Network Alvin Toffler, futurolog, autor ksiki The Third Wave David Goodstein, zastpca rektora Cal Tech Seth Lloyd, MIT, autor ksiki Programming the Universe Fred Watson, astronom, autor ksiki Star Gazer Simon Singh, autor ksiki Wielki Wybuch Seth Shostak, SETI Institute George Johnson, dziennikarz zajmujcy si nauk w New York Timesie" Jeffrey Hoffman, MIT, astronauta NASA Tom Jones, astronauta NASA Alan Lightman, MIT, autor ksiki Sny Einsteina Robert Zubrin, zaoyciel Mars Society Donna Shirley, czonek programu NASA Mars John Pike, GlobalSecurity.org Paul Saffo, futurolog, Institute of the Future Daniel Werthheimer, SETI@home, University of California w Berkeley Robert Zimmerman, autor ksiki Leaving Earth Marcia Bartusiak, autorka ksiki Einstein 's Unfinished Symphony Michael H. Salamon, czonek programu NASA Beyond Einstein Geoff Andersen, U.S. Air Force Academy, autor ksiki The Telescope Chciabym rwnie podzikowa mojemu agentowi Stuartowi Krichewsky'emu, ktry by u mego boku przez wszystkie te lata, dogldajc moich ksiek, a take wydawcy Rogerowi Schollowi, ktrego pewna do, zdrowy rozsdek i dowiadczenie wydawnicze uksztatowao tak wiele ksiek. Pragn rwnie podzikowa moim kolegom w City College w Nowym Jorku i w Graduate Center of City University w Nowym Jorku, szczeglnie VP. Nairowi i Danowi Greenbergowi, ktrzy wspaniaomylnie powicili swj czas na dyskusje.

11

Cz I NIEMOLIWOCI TYPU IRozdzia 1 POLA SII Gdy wybitny, ale starszy ju uczony stwierdza, e co jest moliwe, niemal na pewno ma racj. Gdy mwi, e co jest niemoliwe, najprawdopodobniej si myli. II Jedyny sposb, by odkry granice moliwoci, to przekroczy je i sign po niemoliwe. III. Kade wystarczajco zaawansowane rozwizanie techniczne jest nieodrnialne od magii. Trzy prawa Arthura C. Clarke'a Podnie osony!". W wielu odcinkach serialu Star Trek tak wanie brzmi pierwszy rozkaz kapitana Kirka wykrzykiwany do zaogi w celu podniesienia pl siowych chronicych statek Enterprise" przed ogniem wroga. Pola siowe odgrywaj tak kluczow rol w serialu, e przebieg bitwy mona oceni na podstawie ich stanu. Zawsze, gdy pola siowe trac moc, w kadub okrtu Enterprise" trafia coraz wicej niszczycielskich wybuchw i ostateczna kapitulacja staje si nieunikniona. Czyme wic jest pole siowe? W fantastyce naukowej odpowied jest zwodniczo prosta: cienk, niewidoczn, cho nieprzepuszczaln barier, odbijajc zarwno promienie laserowe, jak i rakiety. Na pierwszy rzut oka pole siowe wyglda tak prosto, e jego wytworzenie i wykorzystanie w roli tarczy bojowej wydaje si kwesti niedalekiej przyszoci. Mona by si spodziewa, e ktrego dnia jaki przedsibiorczy wynalazca ogosi odkrycie obronnego pola siowego. Jednak prawda jest znacznie bardziej zoona. Tak samo jak arwka Edisona zrewolucjonizowaa wspczesn cywilizacj, pole siowe mogoby dogbnie wpyn na kady aspekt naszego ycia. Armia mogaby dziki niemu sta si niezwyciona, dysponujc nieprzenikalnymi tarczami chronicymi przed pociskami i kulami wroga. Mosty, autostrady i drogi mona by teoretycznie budowa po prostu za naciniciem guzika. W jednej chwili na pustyni mogyby wyrasta cae miasta z wieowcami zbudowanymi wycznie z pl siowych. Rozcignite nad miastami pola siowe pozwoliyby ich mieszkacom dowolnie neutralizowa wpyw zjawisk atmosferycznych - wichur, nieyc, trb powietrznych. Mona by budowa miasta pod powierzchni oceanu, pod bezpiecznym baldachimem pl siowych. Pola siowe cakowicie mogyby zastpi szko, stal i zapraw murarsk. Moe to dziwne, ale pole siowe jest chyba jednym z najtrudniejszych do wytworzenia w laboratorium urzdze. Niektrzy fizycy uwaaj nawet, e jego wytworzenie moe w ogle nie by moliwe bez zmiany niektrych z opisanych waciwoci. 12

Michael Faraday Pojcie pola si wywodzi si z prac wielkiego dziewitnastowiecznego brytyjskiego uczonego Michaela Faradaya. Faraday urodzi si w rodzinie robotniczej (jego ojciec by kowalem) i wid na pocztku XIX wieku skromne ycie ucznia introligatora. Modego Faradaya fascynoway olbrzymie postpy w odkrywaniu tajemniczych waciwoci dwch nowych si: elektrycznoci i magnetyzmu. Czyta wszystko, co napisano na te tematy i uczszcza na wykady profesora Humphreya Davy'ego w Royal Institution w Londynie. Pewnego dnia profesor Davy dotkliwie porani sobie oczy w wypadku z substancjami chemicznymi i zatrudni Faradaya jako swojego sekretarza. Faraday powoli zdobywa zaufanie uczonych w Royal Institution i w kocu pozwolono mu przeprowadza wasne powane eksperymenty, chocia czsto go lekcewaono. Z upywem lat profesor Davy coraz bardziej zazdroci inteligencji modemu asystentowi, ktrego sawa tak rosa w krgach eksperymentatorw, e w kocu przymia jego wasne dokonania. Po mierci Davy'ego w 1829 roku Faraday mg ju bez przeszkd kontynuowa prace, dokonujc wielu zadziwiajcych przeomw, dziki ktrym powstay generatory zdolne zasila cae miasta i zmieni si bieg rozwoju wiatowej cywilizacji. Kluczem do najwikszych odkry Faradaya byy jego pola si. Jeeli w pobliu magnesu umiecimy elazne opiki, zobaczymy, e uo si one w przypominajcy pajczyn wzr wypeniajcy ca przestrze. To s wanie linie si Faradaya, stanowice graficzny obraz tego, jak pola elektrycznoci i magnetyzmu wypeniaj przestrze. Jeeli na przykad narysujemy pole magnetyczne Ziemi, przekonamy si, e linie wyaniaj si z obszaru bieguna pnocnego, zakrzywiaj si wok Ziemi i kocz w okolicach bieguna poudniowego. Podobnie, gdybymy narysowali linie pola elektrycznego powstajcej w trakcie burzy byskawicy, zobaczylibymy, e linie si koncentruj si wok jej koca. Dla Faradaya pusta przestrze wcale nie bya pusta, lecz wypeniona liniami si mogcymi wprawi w ruch odlege obiekty. (Z powodu biedy w modoci, Faraday by matematycznym analfabet i dlatego jego notatniki nie s wypenione rwnaniami, lecz odrcznymi diagramami takich linii si. Moe si to wyda absurdalne, ale wanie dziki brakowi wyksztacenia matematycznego Faraday zacz tworzy te pikne diagramy linii si, ktre teraz mona odnale w kadym podrczniku fizyki. W nauce obraz oddajcy fizyczn natur zjawiska jest czsto waniejszy ni matematyka uyta do jego opisu). Historycy snuj domysy, co naprowadzio Faradaya na trop pl si, jednego z najwaniejszych pojciowych odkry w caej nauce. Tak naprawd ca wspczesn fizyk zapisuje si w jzyku pl Faradaya. Kluczowy przeom zwizany z polami si, ktry na zawsze zmieni nasz cywilizacj, nastpi w 1831 roku. Pewnego dnia, przesuwajc zwyky magnes nad zwojem drutu Faraday zauway, e w ten sposb, bez dotykania przewodu, udao mu si wytworzy w nim prd elektryczny. Oznaczao to, e niewidzialne pole magnesu potrafio przepycha elektrony przez puste obszary w przewodzie, wywoujc w nim przepyw prdu. 13

Okazao si, e pola si Faradaya, ktre dotychczas uwaano za bezuyteczne, bezsensowne bazgroy, s rzeczywistymi, istniejcymi naprawd siami, zdolnymi przesuwa obiekty i wytwarza moc. Obecnie wiato, przy ktrym czytasz t stron, prawdopodobnie powstaje dziki temu, zwizanemu z elektromagnetyzmem, odkryciu Faradaya. Wirujcy magnes wytwarza pole si, ktre popycha elektrony w przewodzie, zmuszajc je do poruszania si w postaci prdu elektrycznego. Ten prd elektryczny w przewodzie mona nastpnie wykorzysta do zapalenia arwki. T sam zasad stosuje si do wytworzenia elektrycznoci zasilajcej wszystkie miasta wiata. Na przykad przepywajca przez zapor woda obraca wielki magnes w turbinie, co powoduje popychanie elektronw w przewodzie i powstanie prdu elektrycznego, ktry nastpnie jest przesyany liniami wysokiego napicia do naszych mieszka. Innymi sowy, pola si Michaela Faradaya s siami napdzajcymi wspczesn cywilizacj, od elektrycznych buldoerw po dzisiejsze komputery, Internet i iPody. Pola si Faradaya inspiruj fizykw ju od ptora wieku. Einstein tak uleg ich wpywowi, e zapisa swoj teori grawitacji, posugujc si wanie polami si. Rwnie dla mnie prace Faradaya byy inspiracj. Wiele lat temu udao mi si zapisa teori strun w postaci pl si Faradaya i zapocztkowa tym samym strunow teori pola. W fizyce, gdy kto mwi: jego myli s niczym linie si", jest to wielki komplement. Cztery siy Jednym z najwikszych osigni fizyki ostatnich dwch stuleci jest wyodrbnienie i opisanie czterech si rzdzcych Wszechwiatem. Wszystkie je mona opisa, wprowadzonym przez Faradaya jzykiem pl. Niestety, adne z nich nie ma wasnoci nawet zblionych do spotykanych w fantastyce naukowej opisw pl siowych. Oto te siy: 1. Grawitacja, nierzucajca si w oczy sia utrzymujca nasze stopy pewnie na ziemi, zapobiegajca rozpadowi naszej planety i gwiazd, utrzymujca w caoci ukady planetarne i galaktyki. Bez grawitacji, pod wpywem ruchu obrotowego Ziemi, zostalibymy wyrzuceni z jej powierzchni w przestrze kosmiczn z prdkoci 1600 kilometrw na godzin. Problem w tym, e grawitacja ma wasnoci dokadnie przeciwne do pl siowych z fantastyki naukowej. Grawitacja przyciga, a nie odpycha, jest niezwykle saba w porwnaniu z innymi siami i dziaa na olbrzymie, astronomiczne odlegoci. Innymi sowy, jest niemal przeciwiestwem paskiej, cienkiej, nieprzenikalnej bariery, o ktrej czytamy w ksikach fantastycznonaukowych i ktr ogldamy w filmach. Na przykad, aby przycign pirko do podogi, potrzeba caej olbrzymiej Ziemi, a my moemy przeciwdziaa jej grawitacji, podnoszc to pirko jednym palcem. Nie wysilajc si zbytnio, moemy przezwyciy grawitacj caej planety wacej okoo szeciu bilionw bilionw kilogramw. 2. Elektromagnetyzm, sia rozwietlajca nasze miasta. Lasery, radio, telewizja, najnowsze urzdzenia elektroniczne, komputery, Internet, elektryczno, magnetyzm - wszystko to s konsekwencje istnienia siy elektromagnetycznej. Jest to chyba najbardziej uyteczna sia, jaka 14 posugujc si

kiedykolwiek zostaa zaprzgnita w sub czowieka. W przeciwiestwie do grawitacji, moe ona zarwno przyciga, jak i odpycha. Istnieje jednak kilka powodw, dla ktrych nie nadaje si do wytwarzania pl siowych. Po pierwsze, atwo j zneutralizowa. Plastik i inne izolatory mog na przykad z atwoci przechodzi przez potne pola elektryczne czy magnetyczne. Kawaek plastiku rzucony w pole magnetyczne przeleci przez nie na wylot. Po drugie, elektromagnetyzm dziaa na due odlegoci i nie mona w aden prosty sposb ograniczy jego dziaania do paszczyzny. Prawa siy elektromagnetycznej opisuj rwnania Jamesa Clerka Maxwella i nie wydaje si, by pola siowe mogy by jednym z ich rozwiza. 3 i 4. Sabe i silne oddziaywania jdrowe. Oddziaywanie sabe jest si rozpadu radioaktywnego. Jest to sia ogrzewajca radioaktywne wntrze Ziemi. Jest to rwnie sia odpowiedzialna za wybuchy wulkanw, trzsienia ziemi i dryf kontynentw. Oddziaywanie silne utrzymuje w caoci jdro atomu. Energia Soca i gwiazd ma swoje rdo w oddziaywaniu jdrowym, odpowiedzialnym za rozwietlenie Wszechwiata. Problem w tym, e oddziaywanie jdrowe ma krtki zasig, dziaa gwnie na odlego jdra atomowego. Poniewa jest ono tak bardzo zwizane z wasnociami jder atomowych, niezwykle trudno si nim posugiwa. Obecnie jedyny sposb, w jaki potrafimy uy tej siy, sprowadza si do rozbicia na kawaki czstek subatomowych w rozbijaczach atomw lub do zdetonowania bomby atomowej. Chocia pola siowe wykorzystywane w fantastyce naukowej nie s by moe zgodne ze znanymi prawami fizyki, istniej wci pewne luki, ktre mog umoliwi ich wytworzenie. Po pierwsze, moe istnie jaka pita sia, wci niewykryta w adnym laboratorium. Sia taka mogaby na przykad dziaa tylko na odlegociach od kilku centymetrw do metrw, a nie w olbrzymich skalach astronomicznych. (Jednak pierwsze prby wykrycia takiej pitej siy zakoczyy si niepowodzeniem). Po drugie, by moe uda si wykorzysta plazm do uzyskania niektrych z waciwoci pl siowych. Plazma jest czwartym stanem materii. Ciaa stae, ciecze i gazy stanowi trzy znane nam stany materii, ale najpowszechniej wystpujc postaci materii we Wszechwiecie jest plazma, gaz zjonizowanych atomw. Poniewa atomy tworzce plazm s rozbite na czci, czyli elektrony s oderwane od jder atomowych, atomy takie maj adunek elektryczny i mona nimi atwo manipulowa za pomoc pl elektrycznych i magnetycznych. Plazma to najobficiej wystpujca widzialna posta materii we Wszechwiecie, tworzca Soce, gwiazdy i gaz midzygwiazdowy. Ten stan materii nie jest nam bliski, gdy bardzo rzadko mona go spotka na Ziemi, cho obserwujemy go, patrzc na byskawice, Soce i telewizory plazmowe. Okna plazmowe Jak stwierdzilimy wyej, jeeli ogrzejemy gaz do odpowiednio wysokiej temperatury, zamieniajc go w plazm, bdzie mona go ksztatowa za pomoc pl elektrycznych i magnetycznych. Mona mu na przykad nada ksztat paskiej karty lub okna. Co wicej, takie okno plazmowe mona wykorzysta do oddzielenia prni od normalnego powietrza. W zasadzie 15

mogoby ono zapobiega wyciekaniu powietrza ze statku kosmicznego, tworzc tym samym wygodn, przezroczyst przegrod midzy przestrzeni kosmiczn a wntrzem statku. W serialu Star Trek takie pole siowe stosuje si do zabezpieczenia przed prni przestrzeni kosmicznej hangaru wahadowca, w ktrym mieci si niewielki statek wahadowy. Jest to sprytny sposb na zaoszczdzenie pienidzy na dekoracjach, a przy okazji urzdzenie takie jest moliwe do skonstruowania. Okno plazmowe zostao wynalezione przez fizyka Ady'ego Herschcovitcha w 1995 roku w Brookhaven National Laboratory na Long Island. Stworzy je, by poradzi sobie z problemem spajania ze sob metali za pomoc wizki elektronw. Spawacze posuguj si palnikiem acetylenowym do wytworzenia pomienia gorcego gazu, ktrym nadtapiaj metal i cz ze sob metalowe czci. Wizka elektronw moe czy metale szybciej, bez zanieczyszcze i znacznie taniej ni przy uyciu tradycyjnych sposobw. Problem ze spawaniem wizk elektronw polega jednak na tym, e musi by ono wykonywane w prni. Wymaganie to jest dosy niewygodne, poniewa moe oznacza konieczno zbudowania komory prniowej wielkoci caego pokoju. Doktor Herschcovitch skonstruowa okno plazmowe, by rozwiza ten problem. Okno plazmowe o wysokoci 90 i gbokoci nieprzekraczajcej 30 centymetrw ogrzewa gaz do 6650C, tworzc plazm uwizion przez pola elektryczne i magnetyczne. Jak w przypadku kadego gazu, czstki te wywieraj cinienie, co zapobiega przedostawaniu si powietrza do komory prniowej, oddzielajc tym samym powietrze od prni. (Jeeli gazem wykorzystanym w oknie plazmowym jest argon, arzy si on na niebiesko, tak samo jak pola siowe w Star Trek). Okno plazmowe ma wiele zastosowa w podrach kosmicznych i w przemyle. Bardzo czsto procesy przemysowe wymagaj rodowiska prniowego przy wytwarzaniu mikroskopijnych ukadw scalonych i ich trawieniu na sucho zjonizowanym gazem, ale praca w prni moe by kosztowna. Uywajc natomiast okna plazmowego, mona atwo, za naciniciem guzika, i w tani sposb utrzyma rodowisko prniowe. A czy okno plazmowe mona rwnie wykorzysta jako nieprzenikaln tarcz? Czy wytrzyma ono ostrza artyleryjski? Mona sobie wyobrazi, e w przyszoci powstan okna prniowe o znacznie wikszej mocy i temperaturze, wystarczajcej do zniszczenia albo odparowania nadlatujcych pociskw. Jednak do wytworzenia bardziej realistycznego pola siowego, takiego jakie spotykamy w fantastyce naukowej, konieczne byoby zastosowanie kilku rozwiza technicznych ustawionych w warstwach, jedno za drugim. adna z warstw nie byaby wystarczajco silna, eby samodzielnie zatrzyma pocisk artyleryjski, ale ich kombinacja mogaby wystarczy. Zewntrzn warstw mogoby stanowi okno plazmowe o wysokiej mocy, rozgrzane do temperatury wystarczajcej do odparowania metali. Drug warstw mogaby by zasona z wysokoenergetycznych wizek laserowych. Zasona ta, zbudowana z tysica przecinajcych si wizek laserowych, tworzyaby sie rozgrzewajc przechodzce przez ni obiekty, praktycznie doprowadzajc do ich wyparowania. Lasery omwimy dokadniej w nastpnym rozdziale. 16

Dalej, za t laserow zason, mona sobie wyobrazi siatk z wglowych nanorurek zbudowanych z pojedynczych atomw wgla mikroskopijnych rurek o gruboci jednego atomu i wytrzymaoci wielokrotnie przewyszajcej wytrzymao stali. Chocia aktualny rekord wiata dugoci wglowych nanorurek wynosi zaledwie 15 milimetrw, mona przewidzie, e kiedy bdziemy potrafili wytwarza takie nanorurki o dowolnej dugoci. Przyjmujc, e z nanorurek wglowych mona bdzie utka siatk, uzyskamy ekran o olbrzymiej sile, zdolny do zatrzymania wikszoci obiektw. Ekran taki, cho niewidzialny, poniewa kada wglowa nanorurka ma rozmiary atomowe, byby mocniejszy od ekranu skonstruowanego z kadego innego zwykego materiau. Zatem mona sobie wyobrazi, e zestawiajc obok siebie okno plazmowe, laserow zason i ekran z nanorurek wglowych, uzyskamy niewidzialn cian, ktrej praktycznie nie mona bdzie pokona przy uyciu wikszoci dostpnych rodkw. A jednak nawet taka wielowarstwowa tarcza nie bdzie miaa wszystkich waciwoci opisywanego w fantastyce naukowej pola siowego, poniewa bdzie przezroczysta, a zatem nie bdzie moga zatrzyma wizki laserowej. W czasie walk z wykorzystaniem dzia laserowych, taka wielowarstwowa tarcza byaby bezuyteczna. Aby zatrzyma wizk laserow, tarcza taka musiaaby rwnie mie jakie zaawansowane wasnoci fotochromatyczne. Fotochromia to proces wykorzystywany w okularach przeciwsonecznych, ktre ciemniej pod wpywem promieniowania ultrafioletowego. Wykorzystuje si w nim czsteczki, ktre mog by przynajmniej w dwch stanach. W normalnym stanie taka czsteczka jest przezroczysta. Gdy jednak zostanie wystawiona na dziaanie promieni ultrafioletowych, natychmiast przeksztaca si do drugiej postaci, ktra jest nieprzezroczysta. Moliwe, e kiedy bdziemy potrafili wykorzysta nanotechnologi do wytwarzania substancji tak wytrzymaych jak wglowe nanorurki, jednoczenie zmieniajcych swoje wasnoci optyczne pod wpywem promieni laserowych. W ten sposb taka tarcza mogaby chroni zarwno przed wizkami laserowymi, jak i przed wizkami czstek i ogniem artyleryjskim. Obecnie nie istnieje jednak fotochromia zdolna zatrzyma wizk laserow. Lewitacja magnetyczna W fantastyce naukowej pola siowe su jeszcze do innych zastosowa, oprcz ochrony przed ostrzaem z broni laserowej, a mianowicie s wykorzystywane jako platforma pozwalajca pokona grawitacj. W filmie Powrt do przyszoci Michael J. Fox jedzi na poduszkowej desce, ktra przypomina zwyk deskorolk, z t tylko rnic, e unosi si ona nad ulic. Zgodnie ze znanymi obecnie prawami fizyki, istnienie takiego antygrawitacyjnego urzdzenia jest niemoliwe (o czym przekonamy si w rozdziale 10). Ale poduszkowe deski i samochody wykorzystujce wasnoci magnetyzmu kiedy mog sta si rzeczywistoci, umoliwiajc lewitacj nawet bardzo duych obiektw. W przyszoci, jeeli nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej stan si rzeczywistoci, prawdopodobnie moliwe bdzie unoszenie przedmiotw z wykorzystaniem magnetycznych pl si. 17

Jeeli umiecimy obok siebie dwa magnesy sztabkowe zwrcone do siebie biegunami pnocnymi, bd si one od siebie odpychay. (Jeeli odwrcimy jeden magnes tak, e jego poudniowy biegun zbliy si do bieguna pnocnego drugiego magnesu, obie sztabki bd si wzajemnie przycigay). T sam zasad, e pnocne bieguny wzajemnie si odpychaj, mona wykorzysta do podnoszenia olbrzymich ciarw. Ju teraz w kilku krajach buduje si nowoczesne lewitujce pocigi magnetyczne (zwane rwnie pocigami maglev od magnetic levitation - lewitacja magnetyczna), ktre wykorzystujc zwyke magnesy, unosz si nieznacznie nad torami. Poniewa dziki temu nie wystpuje adne tarcie, unoszc si na powietrznej poduszce, mog one osiga zawrotne prdkoci. W 1984 roku w Wielkiej Brytanii oddano do uytku pierwsz na wiecie komercyjn automatyczn lini maglev, obsugujc w Birmingham tras midzy lotniskiem midzynarodowym a stacj kolejow. Linie kolejowe maglev powstay rwnie w Niemczech, Japonii i Korei, chocia wikszo z nich nie zostaa zaprojektowana do osigania duych szybkoci. Pierwsze komercyjne pocigi maglev poruszajce si z duymi prdkociami obsuguj tras pokazowego odcinka linii kolejowej wybudowanego w Shanghaju - rozpdzaj si one do 431 kilometrw na godzin. Japoski pocig maglev poruszajcy si po trasie wybudowanej na obszarze prefektury Yamanashi osign prdko 581 kilometrw na godzin, wiksz od tych osiganych przez zwyke pocigi poruszajce si na koach. Jednak koleje maglev s niezwykle kosztowne. Jednym ze sposobw na zwikszenie ich opacalnoci byoby wykorzystanie nadprzewodnikw, w ktrych w temperaturach bliskich zera bezwzgldnego opr elektryczny zanika cakowicie. Nadprzewodnictwo odkry w 1911 roku Heike Onnes. Gdy pewne substancje ochodzi si do temperatury poniej 20 K, cakowicie zanika w nich opr elektryczny. Zwykle, gdy ochadzamy jaki metal, jego rezystancja stopniowo maleje. (Dzieje si tak, poniewa przepyw prdu elektrycznego w przewodzie napotyka opr przypadkowych drga jego atomw. W wyniku obnienia temperatury drgania te malej i przepyw prdu odbywa si przy mniejszym oporze). Jednak ku swojemu wielkiemu zdziwieniu Onnes odkry, e po osigniciu pewnej krytycznej temperatury, rezystancja okrelonych materiaw spada nagle do zera. Fizycy natychmiast dostrzegli donioso tego odkrycia. Linie przesyowe powoduj utrat znacznej czci energii elektrycznej w czasie jej transportu na due odlegoci. Gdyby udao si wyeliminowa wszelki opr elektryczny, energi elektryczn mona by przesya niemal bez strat. Gdyby w zbudowanej z takiego przewodu ptli zacz kry prd elektryczny, mgby j obiega przez miliony lat, bez strat energii. Co wicej, wykorzystujc takie prdy elektryczne o odpowiednio duym nateniu, mona by niewielkim wysikiem zbudowa potne magnesy, a te z kolei umoliwiyby podnoszenie bez wikszego trudu olbrzymich ciarw. Pomimo wszystkich tych cudownych waciwoci, na drodze do wykorzystania nadprzewodnictwa stoj olbrzymie koszty, jakie wi si z utrzymywaniem duych magnesw w kadziach ze schodzon do ekstremalnie niskich temperatur ciecz. Aby utrzymywa temperatur 18

takiej cieczy na odpowiednio niskim poziomie, potrzebne s cae zakady chodnicze, co powoduje, e koszty eksploatacji nadprzewodzcych magnesw staj si zaporowe. By moe jednak fizykom uda si pewnego dnia odkry witego Graala fizyki ciaa staego: nadprzewodnik dziaajcy w temperaturze pokojowej. Wytworzenie w laboratorium nadprzewodnika dziaajcego w temperaturze pokojowej zainicjowaoby drug rewolucj przemysow. Potne pola magnetyczne umoliwiajce podnoszenie samochodw i pocigw byyby tak tanie, e pojazdy poduszkowe mogyby sta si ekonomicznie opacalne. Dziki takim nadprzewodnikom fantastyczne pojazdy latajce ogldane w Powrocie do przyszoci, Raporcie mniejszoci i Gwiezdnych wojnach stayby si czci rzeczywistoci. W zasadzie moglibymy nosi pasy wykonane z nadprzewodzcych magnesw, dziki ktrym bez trudu unosilibymy si w powietrzu. Majc na sobie taki pas, mona by lata niczym Superman. Nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej s tak niezwyke, e pojawiaj si w wielu powieciach fantastycznonaukowych (na przykad w napisanej w 1970 roku przez Larry'ego Nivena serii Piercie). Przez cae dziesiciolecia fizycy bezskutecznie starali si odkry nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej. Bya to mudna praca polegajca na sprawdzaniu metod prb i bdw jednego materiau po drugim. W 1986 roku sensacj w wiecie fizyki wywoao odkrycie nowej grupy substancji, nazwanych nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi, ktre staj si nadprzewodnikami ju w temperaturze okoo 90 stopni powyej zera absolutnego. Wydawao si, e wszelkie przeszkody udao si pokona. Co miesic fizycy pobijali kolejne rekordy wiata w dziedzinie nadprzewodnictwa. Przez chwil mona byo odnie wraenie, e nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej opuszcz karty ksiek fantastycznonaukowych i stan si czci naszej codziennoci. Jednak po kilku latach niezwykle intensywnego rozwoju, badania nad wysokotemperaturowymi nadprzewodnikami zaczy traci tempo. Obecnie rekord wiata w dziedzinie nadprzewodnikw wysokotemperaturowych naley do substancji noszcej nazw tlenku rtci talu baru wapnia i miedzi, ktry staje si nadprzewodnikiem w temperaturze 138 K (-135C). Ta wzgldnie wysoka temperatura daleka jest jeszcze od temperatury pokojowej. Jednak fakt osignicia rekordu 138 K jest wany. Azot zamienia si w ciecz w 77 K, a cieky azot kosztuje mniej wicej tyle samo co mleko. Zatem chodzenie ciekym azotem wysokotemperaturowych nadprzewodnikw byoby dosy tanie. (Oczywicie nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej nie wymagayby w ogle adnego chodzenia). W zakopotanie wprawia fakt, e obecnie nie mamy adnej teorii wyjaniajcej wasnoci takich wysokotemperaturowych nadprzewodnikw. Na fizyka, ktry zdoa wyjani, jak dziaaj takie nadprzewodniki, z pewnoci czeka Nagroda Nobla. (Wysokotemperaturowe nadprzewodniki zbudowane s z atomw uoonych w rne warstwy. Wielu fizykw przypuszcza, e ten podzia na warstwy wewntrz materiau ceramicznego umoliwia elektronom swobodne przemieszczanie 19

si w ramach kadej z nich, powodujc powstanie efektu nadprzewodnictwa. Jak jednak dokadnie do tego dochodzi, wci pozostaje tajemnic). Poniewa nie posiadamy tej wiedzy, fizycy s zmuszeni do poszukiwania nowych wysokotemperaturowych nadprzewodnikw metod prb i bdw. Oznacza to, e taki wspaniay nadprzewodnik dziaajcy w temperaturze pokojowej rwnie dobrze moe zosta odkryty jutro, co w przyszym roku albo nawet nigdy. Nikt nie wie, kiedy ani czy w ogle taka substancja zostanie wynaleziona. Jeeli jednak dziaajce w temperaturze pokojowej nadprzewodniki zostan odkryte, dojdzie do lawinowego wprost ich wykorzystania w zastosowaniach praktycznych. Cakiem powszechne mog sta si pola magnetyczne miliony razy silniejsze od ziemskiego (ktrego indukcja wynosi 0,5 gausa). Jedn ze znanych wasnoci nadprzewodnictwa jest efekt Meissnera. Magnes umieszczony nad nadprzewodnikiem lewituje, jak gdyby by utrzymywany w powietrzu przez jak niewidzialn si. (Przyczyn powstawania efektu Meissnera jest to, e magnes wytwarza wewntrz nadprzewodnika swoje lustrzane odbicie, tak e w efekcie oba te magnesy - prawdziwy i jego lustrzane odbicie wzajemnie si odpychaj. Inaczej mona wyjani to zjawisko, uwzgldniajc fakt, e pole magnetyczne nie moe przenikn do wntrza nadprzewodnika. Jest ono z niego cakowicie wypychane. Jeeli wic nad nadprzewodnikiem umiecimy magnes, jego linie si zostan wypchnite przez nadprzewodnik i to wanie one bd odpychay magnes ku grze, powodujc jego lewitacj). Mona sobie wyobrazi, e dziki wykorzystaniu efektu Meissnera autostrady przyszoci bd zbudowane z takiego szczeglnego materiau ceramicznego. Wtedy wystarczy, e umiecimy w kieszeniach lub oponach par magnesw, eby w magiczny sposb przepyn w powietrzu do miejsca docelowego, bez adnego tarcia i strat energii. Efekt Meissnera wystpuje tylko w przypadku substancji magnetycznych, takich jak metale. Mona jednak rwnie wykorzysta nadprzewodzce magnesy do wywoania lewitacji substancji niemagnetycznych, zwanych paramagnetykami i diamagnetykami. Substancje te same nie maj waciwoci magnetycznych, uzyskuj je dopiero w obecnoci zewntrznego pola magnetycznego. Paramagnetyki s przycigane przez zewntrzny magnes, natomiast diamagnetyki s przez taki magnes odpychane. Woda na przykad jest diamagnetykiem. Poniewa wszystkie istoty ywe skadaj si z wody, mog one lewitowa pod wpywem potnego pola magnetycznego. Uczeni wywoali lewitacj niewielkich zwierzt, takich jak aby, w polu magnetycznym o indukcji 15 tesli (30 tysicy razy wikszej od pola magnetycznego Ziemi). Jeeli jednak bdziemy dysponowali nadprzewodnikami dziaajcymi w temperaturze pokojowej, wykorzystanie wasnoci diamagnetycznych duych obiektw do wywoania ich lewitacji nie powinno stwarza wikszych problemw. Podsumowujc: pola siowe w postaci opisywanej najczciej w fantastyce naukowej nie przystaj do opisu czterech si Wszechwiata. Mimo to uzyskanie niektrych wasnoci pl 20

siowych moe okaza si wykonalne dziki wykorzystaniu wielowarstwowych tarcz, skadajcych si z okien plazmowych, zason laserowych, wglowych nanorurek i substancji fotochromatycznych. Jednak zanim taka tarcza powstanie, bd jeszcze musiay upyn dziesitki lat, a moe nawet cae stulecie. A jeeli zostan odkryte nadprzewodniki dziaajce w temperaturze pokojowej, bdziemy by moe potrafili zastosowa potne pola magnetyczne do wywoywania lewitacji samochodw i pocigw, ktre bd szyboway w powietrzu, jak na filmach fantastycznonaukowych. Uwzgldniajc te rozwaania, zaliczybym pola siowe do niemoliwoci typu I - to znaczy do grupy rzeczy niemoliwych do osignicia, jeli si wemie pod uwag nasz obecny poziom techniczny, ale moliwych do zrealizowania, w zmodyfikowanej postaci, za jakie sto lat.

21

Rozdzia 2 NIEWIDZIALNONie mona dowierza oczom, gdy wyobrania jest nieostra. - Mark Twain W filmie Star Trek IV: Powrt na Ziemi zaoga statku Enterprise" przechwytuje klingoski okrt wojenny. W odrnieniu od statkw Gwiezdnej Floty Federacji, statek Imperium Klingoskiego ma na swoim pokadzie tajemnicze urzdzenie maskujce", ktre powoduje, e jest niewidzialny dla radarw, dziki czemu klingoskie statki mog zakrada si w poblie okrtw Federacji i zupenie bezkarnie przygotowywa zasadzki. To urzdzenie maskujce daje przewag Imperium Klingoskiemu nad Federacj Planet. Czy urzdzenie takie moe rzeczywicie istnie? Niewidzialno od dawna naley do cudw obecnych w fantastyce naukowej i literaturze fantasy, od kart Niewidzialnego czowieka po magiczn peleryn-niewidk z ksiek o Harrym Potterze czy piercie z Wadcy piercieni. A jednak przez blisko sto lat fizycy odrzucali moliwo stworzenia paszczy dajcych niewidzialno, stwierdzajc stanowczo, e s one niemoliwe: stanowi pogwacenie praw optyki i nie s zgodne z adn ze znanych wasnoci materii. Teraz jednak niemoliwe stao si moliwe. Nowe odkrycia w dziedzinie metamateriaw zmuszaj nas do zdecydowanego uaktualnienia podrcznikw optyki. Dziaajce prototypy takich materiaw udao si ju wytworzy w laboratorium, co wzbudzio olbrzymie zainteresowanie mediw, przemysu i armii perspektyw osignicia niewidzialnoci. Niewidzialno na przestrzeni wiekw Niewidzialno jest chyba jednym z najstarszych poj obecnych w staroytnej mitologii. Od zarania dziejw ludzie spdzajcy samotnie pospn noc bali si niewidzialnych duchw zmarych, czajcych si w ciemnociach. Grecki heros Perseusz zabi z Meduz uzbrojony w hem czynicy go niewidzialnym. Dowdcy armii od zawsze marzyli o urzdzeniu maskujcym zapewniajcym niewidzialno. Stajc si niewidzialnym, mona atwo przedrze si za lini wroga i pokona go dziki zaskoczeniu. Przestpcy chtnie wykorzystaliby t cech, by dokonywa spektakularnych kradziey. Niewidzialno odgrywa kluczow rol w platoskiej teorii etyki i moralnoci 3 . W swoim filozoficznym arcydziele, dialogu Pastwo, Platon relacjonuje mit o piercieniu Gygesa. Biedny, ale

Platon pisa: Nie znalazby si chyba aden czowiek taki krysztaowy, eby wy trwa w sprawiedliwoci i nie miaby wyciga rki po cudze ani go tyka, chociaby mu wolno byo, i z rynku bez obawy bra, co by tylko chcia, i do domw wchodzi, i obcowa z kim by mu si podobao, i zabija, i z wizw uwalnia, kogo by tylko zechcia. I inne rzeczy robiby pomidzy ludmi bdc do bogw podobnym [...]. Kto by dosta w rce tak wolno, a nie chciaby nigdy adnej krzywdy wyrzdza i nie tykaby tego, co cudze, wydawaby si3

22

uczciwy pasterz Gyges z Lidii wchodzi do ukrytej jaskini i odkrywa grb, w ktrym odnajduje szcztki jakiego czowieka ze zotym piercieniem na palcu. Gyges przekonuje si, e zoty piercie ma magiczn moc, ktra czyni go niewidzialnym. W krtkim czasie biedny pasterz ulega mocy, jak daje piercie. Wszedszy ukradkiem do paacu krla, Gyges wykorzystuje swoj moc, uwodzi krlow, z jej pomoc morduje jej ma i staje si kolejnym krlem Lidii. Platon wysnuwa z tej opowieci mora, i nikt nie potrafi oprze si pokusie bezkarnego rabowania i mordowania. Wszyscy ludzie s podatni na zepsucie. Moralno jest spoeczn norm narzucon nam z zewntrz. Czowiek moe na zewntrz sprawia wraenie moralnego, eby zachowa reputacj osoby nieskazitelnej i uczciwej, ale jeeli tylko posidzie umiejtno stawania si niewidzialnym, nie bdzie mg si oprze jej mocy. (Niektrzy uwaaj, e ta moralizatorska opowie zainspirowaa J.R.R. Tolkiena do napisania trylogii Wadca piercieni, w ktrej piercie czynicy swego waciciela niewidzialnym jest rwnie rdem za). Niewidzialno jest rwnie czsto wykorzystywanym wtkiem w fantastyce naukowej. W publikowanej w latach trzydziestych XX wieku serii komiksw Flash Gordon, bohater, stajc si niewidzialny, ucieka przed plutonem egzekucyjnym okrutnego cesarza Minga. W ksikach i filmach o Harrym Potterze, Harry zakada niezwyk peleryn, dziki ktrej moe niezauwaony porusza si po zamku Hogwart. H.G. Wells nadaje temu mitowi konkretn posta w swojej klasycznej powieci Niewidzialny czowiek, w ktrej pewien student medycyny przypadkiem odkrywa wasnoci czwartego wymiaru i staje si niewidzialny. Niestety wykorzystuje swoj fantastyczn moc do uzyskania osobistych korzyci - inicjuje fal drobnych przestpstw, ktre doprowadz do jego mierci w trakcie rozpaczliwej ucieczki przed policj. Rwnania Maxwella i tajemnica wiata Fizycy zdoali dobrze zrozumie prawa optyki dopiero dziki pracom szkockiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella, jednego z gigantw dziewitnastowiecznej fizyki. Maxwell pod pewnym wzgldem by przeciwiestwem Michaela Faradaya. Podczas gdy Faraday mia niezwyky instynkt dowiadczalny, ale pozbawiony by jakiegokolwiek formalnego wyksztacenia, yjcy w tym samym czasie Maxwell by mistrzem zaawansowanej matematyki. Wyrnia si wrd studentw fizyki matematycznej w Cambridge, gdzie dwiecie lat wczeniej swoje prace prowadzi Isaac Newton. Newton wymyli rachunek rniczkowy, ktry za pomoc rwna opisuje, jak ciaa gadko ulegaj nieskoczenie maym zmianom w przestrzeni i czasie. Zarwno ruch fal oceanu, jak i cieczy, gazw i kul armatnich mona bez wyjtku wyrazi w jzyku rwna rniczkowych. Maxwell postawi przed sob jasny cel - wyrazi rewolucyjne odkrycia Faradaya i jego pola si za pomoc dokadnych rwna rniczkowych. Maxwell wyszed od odkrycia Faradaya, e pola elektryczne mona zamieni w pola magnetyczne i odwrotnie. Wzi przedstawione przez Faradaya opisy pl si i zapisa je ponownie

ostatnim ndznikiem kademu, kto by go widzia i ostatnim gupcem". (Platon, Pastwo, prze. W. Witwicki,

23

w precyzyjnym jzyku rachunku rniczkowego, uzyskujc jedne z najwaniejszych rwna wspczesnej nauki. Jest to zestaw czterech gronie wygldajcych rwna rniczkowych. Kady fizyk i inynier na wiecie musi nad nimi lcze, opanowujc w czasie studiw wiedz o elektromagnetyzmie. Nastpnie Maxwell zada sobie niezwykle wane pytanie: skoro pola magnetyczne mog si zmieni w elektryczne i odwrotnie, co si stanie, gdy bd si one bezustannie przeksztaca w siebie nawzajem, w nigdy niekoczcym si tacu? Maxwell odkry, e takie pola elektromagnetyczne wytworz fal, analogiczn do fali na oceanie. Obliczy prdko takiej fali i ku swojemu zdumieniu zobaczy, e jest ona rwna prdkoci wiata! Po stwierdzeniu tego faktu w 1864 roku napisa prorocze sowa: Prdko ta jest tak bliska prdkoci wiata, e wydaje si, i mamy powane podstawy do wysunicia wniosku, e samo wiato [...] jest zaburzeniem elektromagnetycznym". Byo to chyba jedno z najwikszych odkry w historii ludzkoci. Po raz pierwszy udao si ostatecznie wyjani tajemnic wiata. Maxwell nagle uwiadomi sobie, e wszystko, blask wschodzcego soca, poog jego zachodu, wspaniae kolory tczy i firmament peen gwiazd, mona opisa za pomoc fal, ktrych rwnania wanie zanotowa na kartce papieru. Dzisiaj wiemy, e cae widmo elektromagnetyczne - fale radaru i przekaz telewizyjny, wiato podczerwone i widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, mikrofale i promienie gamma s niczym innym, jak falami Maxwella, ktre z kolei drgaj w polach si Faradaya. Odnoszc si do wagi rwna Maxwella, Einstein napisa, e s one najgbszym i najowocniejszym odkryciem, jakiego fizyka dowiadczya od czasw Newtona". (Niestety, Maxwell, jeden z najwikszych fizykw XIX wieku, zmar przedwczenie, w wieku czterdziestu omiu lat, na raka odka, prawdopodobnie na t sam chorob, ktra wczeniej spowodowaa mier jego matki, w tym samym wieku. Gdyby y duej, by moe odkryby, e jego rwnania dopuszczaj moliwo znieksztacenia czasoprzestrzeni, co doprowadzioby go wprost do teorii wzgldnoci Einsteina. Zadziwiajca jest wiadomo, e gdyby Maxwell y duej, teoria wzgldnoci mogaby zosta sformuowana w czasach amerykaskiej wojny secesyjnej). Maxwellowska teoria wiata i teoria atomowa daj proste wyjanienie optyki i niewidzialnoci. W ciele staym atomy s ciasno upakowane, natomiast w cieczy i gazach czsteczki s od siebie znacznie bardziej oddalone. Wikszo cia staych jest nieprzezroczysta, poniewa promienie wiata nie mog przej przez tworzc je gst sie atomw, ktra zachowuje si niczym mur z cegie. Wiele cieczy i gazw natomiast jest przezroczystych, dlatego e wiato moe atwiej przej przez due odstpy midzy ich atomami, znajdujcymi si w odlegociach wikszych od dugoci fali wiata widzialnego. Przezroczyste s na przykad woda, alkohol, amoniak, aceton, nadtlenek wodoru, benzyna i tak dalej, podobnie jak gazy, takie jak tlen, wodr, azot, dwutlenek wgla, metan i inne. Istnieje kilka wanych wyjtkw od tej reguy. Wiele krysztaw to ciaa stae, a mimo to sDe Agostini Polska, Warszawa 2003, s. 75).

24

przezroczyste. Wynika to std, e atomy krysztau s uoone w regularn sie i tworz rwne rzdy lece w jednakowej odlegoci od siebie. Dlatego istnieje wiele cieek, ktrymi moe poda wiato, przechodzc przez sie krystaliczn. Zatem, chocia atomy krysztau s tak samo cile upakowane jak w kadym ciele staym, wiato potrafi jednak znale drog umoliwiajc przedostanie si na drug stron. W pewnych okolicznociach ciao stae moe sta si przezroczyste, nawet gdy atomy uoone s w sposb przypadkowy. Mona to osign poprzez podgrzanie pewnych materiaw do wysokiej temperatury, a nastpnie szybkie ich ochodzenie. Szko na przykad, dziki przypadkowemu uoeniu swoich atomw, jest ciaem staym przejawiajcym wiele waciwoci cieczy. Rwnie niektre cukierki mog sta si przezroczyste po zastosowaniu tej metody. Bez wtpienia niewidzialno jest wasnoci majc swoje rdo na poziomie atomowym, o czym mona si przekona, analizujc rwnania Maxwella, a zatem uzyskanie jej z wykorzystaniem zwykych rodkw byoby niezwykle trudne, jeli w ogle moliwe. Aby uczyni Harry'ego Pottera niewidzialnym, naleaoby zmieni go w ciecz, zagotowa, eby wytworzy par, nastpnie skrystalizowa, ponownie podgrza i ochodzi - jest to zadanie do trudne do wykonania, nawet dla czarodzieja. Technicy wojskowi, nie mogc zbudowa niewidzialnych samolotw, a chcc uzyska najlepszy moliwy efekt, stworzyli technologi stealth, dziki ktrej samoloty s niewidzialne dla radarw. Technologia ta wykorzystuje kilka sprytnych sztuczek zaprojektowanych w oparciu o rwnania Maxwella. Stosujcy technologi stealth myliwiec jest cakowicie widzialny dla ludzkiego oka, ale jego obraz na ekranie radaru wroga ma jedynie rozmiar duego ptaka. (Technologia stealth jest w rzeczywistoci zbitk rnych sztuczek. Zmieniajc materiay, z ktrych samolot jest wykonany, zmniejszajc zawarto stali poprzez wykorzystanie tworzyw sztucznych i ywic, modyfikujc ksztat kaduba, zmieniajc umiejscowienie rur wydechowych i tak dalej, mona spowodowa, e wysyane przez radar fale odbij si od samolotu, rozprosz si we wszystkich kierunkach i nigdy nie dotr z powrotem na ekran wrogiego radaru. Nawet uywajc technologii stealth, myliwiec nie staje si cakowicie niewidzialny; zamiast tego odbija on tylko i rozprasza emitowane przez radar fale). Metamateriay i niewidzialno Najbardziej chyba obiecujc nowoci zwizan z byciem niewidzialnym jest niezwyky nowy materia nazywany metamateriaem, dziki ktremu kiedy by moe bdziemy umieli sprawi, by przedmioty rzeczywicie staway si niewidzialne. Ciekawostk jest fakt, e kiedy uwaano, i wytworzenie metamateriaw jest niemoliwe, poniewa s one sprzeczne z prawami optyki. Jednak w 2006 roku badaczom z Uniwersytetu Duke'a w Durham w stanie Karolina Pnocna i z Imperial College w Londynie udao si zaprzeczy tej powszechnej opinii i przy uyciu metamateriaw spowodowa, e obiekty stay si niewidzialne w promieniowaniu mikrofalowym. Chocia wci pozostao jeszcze wiele trudnoci do pokonania, po raz pierwszy w historii znamy zarys metody zamiany zwykych obiektw w niewidzialne. (Badania te byy finansowane przez 25

nalec do Pentagonu agencj DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency, Agencja Zaawansowanych Projektw Badawczych Obrony). Nathan Myhrvold, byy gwny dyrektor ds. rozwiza technicznych w Microsofcie, twierdzi, e rewolucyjny potencja metamateriaw cakowicie zmieni nasz sposb rozumienia optyki i wpynie na niemal kady aspekt elektroniki [...] Niektre z tych metamateriaw pozwalaj na osiganie rzeczy, ktre jeszcze kilkadziesit lat temu byyby uznawane za cuda"4. Czym s te metamateriay? To substancje o niespotykanych w przyrodzie wasnociach optycznych. Tworzy si je przez umieszczanie w wybranych substancjach niewielkich implantw powodujcych, e fale elektromagnetyczne zachowuj si w niecodzienny sposb. Uczeni z Uniwersytetu Duke'a umiecili niewielkie obwody elektryczne wewntrz miedzianych pasw uoonych w paskie koncentryczne krgi (przypominajce nieco zwoje kuchenki elektrycznej). W efekcie uzyskali skomplikowan mieszank ceramiki, teflonu, wkien kompozytowych i czci metalowych. Dziki umieszczonym w miedzi niewielkim implantom moliwe byo zakrzywianie i odpowiednie ksztatowanie promieni mikrofalowych. Wyobramy sobie rzek obmywajc duy gaz. Poniewa woda szybko zakrzywia si wok kamienia, daremnie szukalibymy w dole nurtu rzeki ladw tego gazu. Podobnie metamaterialy potrafi nieustannie zmienia i zakrzywia bieg promieniowania mikrofalowego, tak e na przykad opywa ono wykonany z metamateriau walec, w wyniku czego wszystko, co znajduje si w jego wntrzu pozostaje dla promieniowania mikrofalowego w zasadzie niewidzialne. Jeeli uda si jeszcze pozby odbi i cieni, taki metamateria pozwoli na uczynienie obiektu cakowicie niewidzialnym dla tej postaci promieniowania. Uczonym udao si zademonstrowa t zasad za pomoc urzdzenia zbudowanego z dziesiciu piercieni wykonanych z wkien optycznych, pokrytych miedzianymi elementami. Miedziany piercie umieszczony wewntrz tego urzdzenia stal si prawie niewidzialny w promieniowaniu mikrofalowym -rzuca jedynie niewielki cie. Podstawa dziaania metamateriaw opiera si na ich zdolnoci do zmiany wielkoci zwanej wspczynnikiem zaamania. Zaamanie wiata jest zjawiskiem polegajcym na zakrzywianiu jego toru przy przechodzeniu przez przezroczyste orodki. Jeeli woymy do do wody lub popatrzymy przez soczewki okularw, zauwaymy, e woda i szko znieksztacaj i zakrzywiaj bieg promieni zwykego wiata. Powodem, dla ktrego wiato zakrzywia si w wodzie czy szkle jest fakt, e spowalnia ono nieco po wejciu do gstego, przezroczystego orodka. Prdko wiata w doskonaej prni pozostaje niezmienna, ale przemieszczajc si w szkle lub w wodzie, wiato musi przej przez biliony atomw i dlatego zwalnia. (Stosunek prdkoci wiata do zmniejszonej prdkoci wiata w danym orodku nosi nazw wspczynnika zaamania. Poniewa wiato zawsze zwalnia w szkle, jego wspczynnik zaamania jest zawsze wikszy od 1,0). Na przykad wspczynnik zaamania wynosi 1,00 dla prni, 1,0003 dla powietrza, 1,5 dla szka i 2,4 dla diamentu. Zwykle im gstszy4

N. Myhrvold, New Scientist Magazine", 18 listopada 2006, s. 69.

26

dany orodek, tym wiksze zakrzywienie wiata i tym wikszy wspczynnik zaamania. Znanym wszystkim przykadem wystpowania zjawiska zaamania wiata jest fatamorgana. Jeeli jadc samochodem w upalny dzie, spojrzymy prosto przed siebie, w kierunku horyzontu, zauwaymy, e droga przed nami dry, tworzc iluzj poyskujcej w socu tafli jeziora. Na pustyni mona czasami zobaczy na horyzoncie kontury odlegych miast i gr. Dzieje si tak, poniewa rozgrzane powietrze unoszce si znad asfaltu lub piasku pustyni ma mniejsz gsto ni zwyke powietrze, a zatem ma rwnie mniejszy wspczynnik zaamania ni pozostae, chodniejsze powietrze i w ten sposb wiato docierajce od odlegych obiektw moe odbija si od asfaltu i trafia do naszych oczu, wywoujc zudzenie, e widzimy odlege obiekty. Zwykle wspczynnik zaamania ma sta warto. Wizka skupionego wiata zakrzywia si przy wejciu do szka, a nastpnie porusza si znowu po linii prostej. Przyjmijmy jednak na chwil, e potrafimy dowolnie modyfikowa wspczynnik zaamania tak, e moe si on zmienia w sposb cigy w kadym punkcie szka. wiato wchodzce w taki nowy materia mogoby si zakrzywia i wygina w rnych kierunkach, krelc wewntrz tej substancji ciek wijc si niczym w. Gdybymy potrafili wpyn na wspczynnik zaamania wewntrz metamateriau w taki sposb, by wiato obiegao dane ciao dookoa, przedmiot taki staby si niewidzialny. Aby to osign, taki metamateria musiaby mie ujemny wspczynnik zaamania, co zgodnie ze wszystkimi podrcznikami optyki jest niemoliwe. (Moliwo istnienia metamateriaw po raz pierwszy teoretycznie rozwaa radziecki fizyk Wiktor Wiesieago w 1967 roku i wykaza, e musiayby mie one dziwne wasnoci optyczne, takie jak ujemny wspczynnik zaamania i odwrotny efekt Dopplera. Metamateriay s tak niezwyke i niedorzeczne, e kiedy uwaano, i ich wytworzenie nie jest w ogle moliwe. W ostatnich latach metamateriay zostay jednak stworzone w laboratoriach, co zmusio niechtnych im fizykw do zrewidowania podrcznikw optyki). Dziennikarze cigle niepokoj uczonych zajmujcych si metamateriaami i dopytuj, kiedy pojawi si w handlu ubrania zapewniajce niewidzialno. Odpowied brzmi: nieprdko. David Smith z Uniwersytetu Duke'a mwi: Reporterzy cigle wydzwaniaj i domagaj si, eby im poda jak dat. Liczb miesicy, lat. S tak natarczywi, e w kocu, dla witego spokoju, mwimy: no, moe za pitnacie lat. I wtedy pojawiaj si sensacyjne nagwki. Ju za pitnacie lat bdziemy mogli kupi peleryn-niewidk Harry'ego Pottera". Dlatego teraz odmawia ju podawania jakichkolwiek konkretnych terminw 5 . Fani Harry'ego Pottera i Star Treka bd musieli poczeka. Chocia wytworzenie peleryny zapewniajcej prawdziw niewidzialno jest moliwe w ramach praw fizyki, z czym zgodzi si wikszo fizykw, musimy jeszcze pokona spore przeszkody techniczne i technologiczne, zanim takie rozwizania bd miay zastosowanie do wiata widzialnego, a nie jedynie do promieniowania mikrofalowego. Mwic oglnie, struktury umieszczane wewntrz metamateriau musz by mniejsze od dugoci fali promieniowania. Promieniowanie mikrofalowe ma na przykad dugo fali okoo 35

J. Glausiusz, Discover Magazine", listopad 2006.

27

centymetrw, eby wic metamateria mg zakrzywia tor takich promieni, naley w jego wntrzu umieci niewielkie implanty o rozmiarze nieprzekraczajcym 3 milimetrw. eby jednak obiekt sta si niewidzialny w wietle zielonym, o dugoci fali 500 nanometrw (nm), uyte w metamateriale struktury mog mie najwyej dugo okoo 50 nanometrw - a to jest ju skala atomowa, wymagajca zastosowania nanotechnologii. (Jeden nanometr to jedna miliardowa metra. Na dugoci jednego nanometra mona zmieci okoo piciu atomw). To chyba najwaniejszy problem, jaki musimy pokona, aby mogy powsta ubrania naprawd zapewniajce niewidzialno. Konieczne bdzie modyfikowanie pojedynczych atomw wewntrz metametariau w taki sposb, aby wiato wyginao si niczym w. Metamateriay dla wiata widzialnego Wycig trwa. Od momentu, gdy ogoszono publicznie, e metamateriay udao si wytworzy w laboratorium, prace w tej dziedzinie ulegy przyspieszeniu i co kilka miesicy mamy do czynienia z jakim nowym odkryciem, z kolejnym niezwykym przeomem. Cel jest jasny: wykorzystujc nanotechnologi, naley stworzy metamateria potraficy zakrzywia wiato widzialne, a nie jedynie promieniowanie mikrofalowe. Zaproponowano kilka podej, a wszystkie wygldaj cakiem obiecujco. Jeden z pomysw polega na uyciu istniejcych rozwiza technicznych, to znaczy na stworzeniu nowych metamateriaw w oparciu o technologie zapoyczone z przemysu pprzewodnikowego. Motorem rewolucji komputerowej bya technika zwana fotolitografi, umoliwiajca miniaturyzacj ukadw scalonych. Technologia ta pozwala umieszcza setki milionw niewielkich tranzystorw na pytce krzemowej o rozmiarze kciuka. Moc obliczeniowa komputerw moe si podwaja co ptora roku (zgodnie z prawem Moore'a) dlatego wanie, e uczeni, posugujc si promieniowaniem ultrafioletowym, potrafi wyry" w kawaku krzemu coraz mniejsze elementy. Technika ta jest bardzo podobna do sposobu, w jaki za pomoc wzornika wytwarza si kolorowe koszulki z nadrukiem. (Specjalici od ukadw scalonych zaczynaj od cienkiej pytki, ktr pokrywaj niezwykle cienk warstw rnych substancji. Nastpnie na pytk nakada si plastikow mask, ktra peni rol wzornika. Zawiera ona zoone ksztaty przewodw, tranzystorw i innych elementw ukadu, stanowice podstawowy szkielet tworzonego obwodu. Pytk nastpnie poddaje si dziaaniu promieniowania ultrafioletowego o bardzo maej dugoci fali, ktre odbija obraz wzornika na wiatoczuej warstwie pokrywajcej pytk. Pniej pytk poddaje si dziaaniu specjalnych gazw i kwasw, w wyniku czego zoony obwd nakrelony na masce zostaje wyryty w pytce w miejscach, w ktrych zostaa ona wystawiona na dziaanie wiata ultrafioletowego. W ten sposb powstaje pytka krzemowa zawierajca setki milionw mikroskopijnych rowkw wytyczajcych ksztaty tranzystorw). Obecnie najmniejsze elementy, jakie potrafimy wytwarza przy wykorzystaniu tej techniki, maj rozmiar okoo 30 nanometrw (czyli okoo 150 atomw). Do przeomowego osignicia w pracach nad uzyskaniem niewidzialnoci doszo, gdy pewna 28

grupa uczonych posuya si t technologi obrbki pytki krzemowej do stworzenia pierwszego metamateriau, dziaajcego w widzialnym zakresie widma fal elektromagnetycznych. Na pocztku 2007 roku uczeni z Niemiec i z Departamentu Energii Stanw Zjednoczonych po raz pierwszy w historii wytworzyli metamateria dziaajcy w czerwonym wietle. To, co niemoliwe", udao si osign w niezwykle krtkim czasie. Fizykowi Costasowi Soukoulisowi z rzdowego Ames Laboratory w stanie Iowa, przy wsppracy Stefana Lindena, Martina Wegenera i Gunnara Dollinga z uniwersytetu w Karlsruhe w Niemczech, udao si uzyska metamateria charakteryzujcy si wspczynnikiem zaamania -0,6 dla wiata czerwonego o dugoci fali 780 nanometrw. (Poprzedni rekord wiata w dziedzinie zakrzywiania promieniowania przez metamateriay wynosi 1400 nanometrw, co lokowao je poza zakresem wiata widzialnego, w pamie podczerwieni). Uczeni ci zastosowali tafl szklan, ktr pokryli warstw srebra, fluorkiem magnezu i kolejn powok srebra, tworzc warstw fluorku o gruboci zaledwie 100 nanometrw wcinit midzy powoki srebra. Nastpnie, posugujc si opisan technik obrbki, wytrawili w tych powokach mnstwo mikroskopowych otworw, tworzc wzr przypominajcy sie do poowu ryb. (Otwory miay szeroko zaledwie 100 nanometrw, byy wic zdecydowanie mniejsze od dugoci fali wiata czerwonego). Nastpnie przez tak skonstruowany materia przepucili promie wiata czerwonego i zmierzyli wspczynnik zaamania, ktrego warto wyniosa -0,6. Twrcy tego materiau przewiduj wiele moliwoci jego zastosowania. Metamateriay mog kiedy umoliwi stworzenie specjalnych paskich supersoczewek dziaajcych w widzialnym zakresie widma fal elektromagnetycznych - mwi dr Soukoulis. - Miayby one znacznie wiksz rozdzielczo ni soczewki wytwarzane tradycyjnymi sposobami, dziki czemu moliwe staoby si zobaczenie szczegw mniejszych od dugoci fali wiata" 6. Bezporedni korzyci uycia takich supersoczewek byaby moliwo fotografowania z niespotykan ostroci obiektw mikroskopowych, takich jak wntrze ywej ludzkiej komrki, czy diagnozowania chorb dziecka jeszcze w onie matki. Najlepszym zastosowaniem byoby wykonywanie fotografii skadnikw czsteczki DNA bez koniecznoci uciekania si do kopotliwej rentgenografii strukturalnej. Jak dotd uczonym udao si jedynie uzyska ujemny wspczynnik zaamania dla wiata czerwonego. Kolejnym krokiem bdzie zastosowanie tej technologii do stworzenia metamaterialu pozwalajcego na zakrzywienie czerwonego wiata wok jakiego obiektu, co uczynioby go niewidzialnym w tym zakresie widma. Dalszy rozwj tej dziedziny moe wiza si z krysztaami fotonicznymi. Celem rozwoju technik opartych na krysztaach fotonicznych jest stworzenie ukadu scalonego, ktry do przetwarzania informacji bdzie wykorzystywa wiato, a nie prd elektryczny. Oznacza to konieczno posuenia si nanotechnologi do skonstruowania na pytce niewielkich elementw charakteryzujcych si rnymi wspczynnikami zaamania wiata. Tranzystory wykorzystujce

6

Metamaterials found to work for visible light, Eurekalert, www.eurekalert.org/ pubreleases/2007-01/dlmft010407.php, 2007. Take: New Scientist Magazine", 18 grudnia 2006.

29

wiato maj kilka przewag nad tradycyjnymi, dziaajcymi w oparciu o prd elektryczny. Na przykad krysztay fotoniczne maj duo mniejsze straty cieplne. (W zaawansowanych krzemowych ukadach scalonych ilo wytwarzanego ciepa wystarczyaby do usmaenia jajka. Dlatego, aby nie ulegy zniszczeniu, wymagaj one nieustannego chodzenia, a utrzymywanie ich w odpowiedniej temperaturze jest bardzo kosztowne). Nie powinno dziwi, e badania nad krysztaami fotonicznymi maj te zastosowanie w metamateriaach, przecie obie technologie zajmuj si modyfikacj wspczynnika zaamania wiata w strukturach o rozmiarach nanometrw. Niewidzialno dziki plazmonice W poowie 2007 roku inna grupa uczonych powiadomia o stworzeniu metamaterialu zakrzywiajcego wiato widzialne, dziaajcego w oparciu o zupenie inn technik, ktr nazwano plazmonik. Fizycy Henri Lezec, Jennifer Dionne i Harry Atwater z California Institute of Technology (Cal Tech) ogosili, e wytworzyli metamateria o ujemnym wspczynniku zaamania wiata w trudniejszym, niebieskozielonym obszarze widma wiata widzialnego. Celem plazmoniki jest cinicie" wiata tak, by umoliwi dziaanie elementw ukadw obliczeniowych o rozmiarach nanometrw, szczeglnie na powierzchni metali. Metale przewodz prd elektryczny, poniewa elektrony ich atomw s dosy luno zwizane z jdrami i mog porusza si swobodnie po powierzchni sieci atomw metalu. Prd w przewodach elektrycznych w naszych domach jest dowodem na swobodny przepyw po powierzchni metalu takich luno zwizanych elektronw. Jednak w pewnych warunkach, gdy w powierzchni metalu uderza promie wiata, elektrony mog zacz drga z czstotliwoci tak sam, jak miao uderzajce w metal wiato. W efekcie elektrony poruszaj si ruchem falowym, drgajc tak samo, jak uderzajcy w metal promie wiata (fizycy nazywaj takie drgania plazmonami). Istotne w tym wszystkim jest to, e takie plazmony mona cisn", tak aby miay znacznie mniejsz dugo fali, ale przy zachowaniu czstotliwoci zgodnej z czstotliwoci wiata padajcego na metal (czyli zachowujc tyle samo informacji). W zasadzie mona by pniej wtoczy takie cinite fale w nanoprzewody. Tak samo jak w przypadku krysztaw fotonicznych, ostatecznym celem plazmoniki jest zbudowanie ukadw komputerowych potraficych wykonywa obliczenia za pomoc wiata, a nie elektrycznoci. Wspomniana grupa uczonych z Cal Tech skonstruowaa metamateria skadajcy si z dwch warstw srebra nanometrw), rozdzielonych penicym rol krzemowo-azotowym falowodu izolatorem (o gruboci zaledwie si 50 fal ustalajcego kierunek rozchodzenia

plazmonicznych. W metamateriale wykonane s dwie szczeliny, przez ktre wchodzi i wychodzi wizka promieni laserowych. Analizujc kty zakrzywienia wiata laserowego przechodzcego przez takie urzdzenie, mona si przekona, e wiato zostaje w nim zakrzywione dziki ujemnemu wspczynnikowi zaamania. Przyszo metamateriaw W przyszoci prace nad metamateriaami nabior jeszcze wikszego tempa, chociaby z tego 30

prostego powodu, e ju teraz istnieje olbrzymie zainteresowanie stworzeniem tranzystorw wykorzystujcych wiato zamiast elektrycznoci. Badania nad uzyskaniem niewidzialnoci bd mogy zatem za darmo wykorzysta wyniki prac w dziedzinie krysztaw fotonicznych i plazmoniki, ktrych gwnym celem bdzie stworzenie ukadu zastpujcego krzemowy ukad scalony. Ju obecnie wydaje si setki milionw dolarw na wynalezienie technologii, ktra zastpi elektronik opart na krzemie, a badania nad metamateriaami z pewnoci skorzystaj na wynikach tych prac naukowych. Biorc pod uwag fakt, e co kilka miesicy dochodzi w tej dziedzinie do jakiego przeomu, nie powinno nas dziwi, e niektrzy fizycy przewiduj i by moe ju za kilkadziesit lat pojawi si przydatna w praktycznych zastosowaniach osona zapewniajca niewidzialno. Uczeni s na przykad przekonani, e za kilka lat uda im si stworzy metamaterialy potrafice uczyni obiekt cakowicie niewidzialnym w jednej czstotliwoci wiata widzialnego, przynajmniej w dwch wymiarach. Osignicie tego bdzie wymagao uoenia niewielkich nanoimplantw nie w regularn sie, ale w skomplikowane wzory, tak aby wiato ulegao cigemu zakrzywieniu wok ukrywanego obiektu. Nastpnie uczeni bd musieli stworzy metamaterialy potrafice zakrzywia wiato w trzech wymiarach, a nie jedynie na paskich, dwuwymiarowych powierzchniach. Fotolitografi doskonali si w celu stworzenia paskich pytek krzemowych, lecz wykonanie trjwymiarowego metamateriau bdzie wymagao skomplikowanego uoenia takich pytek i zespolenia ich ze sob. Pniej trzeba bdzie poradzi sobie z problemem stworzenia metamateriaw potraficych zakrzywi wiele czstotliwoci fal wiata, a nie tylko jedn. Bdzie to zapewne najtrudniejsze zadanie, poniewa wszystkie wytworzone dotychczas implanty zakrzywiaj tylko jedn, okrelon czstotliwo fal. By moe uczeni bd musieli wytworzy materiay zbudowane z warstw, z ktrych kada bdzie zakrzywia tylko jedn okrelon czstotliwo. Sposb rozwizania tego problemu nie jest jeszcze jasny. Niemniej jednak, gdy ju w kocu powstanie osona zapewniajca niewidzialno, moe si ona okaza nieporcznym urzdzeniem. Peleryna Harry'ego Pottera uszyta bya z cienkiej, gitkiej tkaniny, ktra powodowaa, e kady, kto si ni okry, stawa si niewidzialny. Aby to jednak byo moliwe, wspczynnik zaamania wiata wewntrz takiej tkaniny musiaby si bezustannie zmienia w skomplikowany sposb, dostosowujc si do jej uoenia, co jest bardzo niepraktyczne. Jest wicej ni prawdopodobne, e prawdziwa peleryna-niewidka bdzie miaa posta sztywnego walca z metamateriau, przynajmniej na pocztku. Dziki temu wspczynnik zaamania wiata takiego cylindra mgby by stay. (Bardziej zaawansowane wersje mogyby w kocu wykorzystywa gitkie metamaterialy, ktre nawet po wykrzywieniu zapewniayby odpowiedni tor biegu promieni wiata w ich wntrzu. Dziki temu osoby znajdujce si w rodku takiego urzdzenia miayby pewn swobod ruchu). Niektrzy wskazuj na pewn wad takiej osony zapewniajcej niewidzialno: ukryta w niej osoba nie bdzie moga wyglda na zewntrz bez ryzyka, e zostanie dostrzeona. Wyobramy 31

sobie Harry'ego Pottera, cakowicie niewidzialnego, z wyjtkiem oczu, ktre wydaj si unosi w powietrzu. Jeeli w osonie zrobimy otwory, przez ktre mona by patrze, bd one bez wtpienia wyranie widoczne z zewntrz. Aby Harry Potter mg by cakowicie niewidzialny, musiaby siedzie w swojej pelerynie, nie widzc, co si wok niego dzieje. (Jednym z moliwych rozwiza tego problemu mogoby by umieszczenie na wysokoci oczu dwch niewielkich szklanych pytek. Pytki te dziaayby jako rozszczepiacze wizki, rozdzielajc padajce na nie wiato i przepuszczajc niewielk jego ilo w kierunku oczu. Wtedy wikszo padajcego na nie wiata obiegaaby oson wokoo, czynic ukryt w niej osob niewidzialn, a jedynie niewielka ilo wiata byaby kierowana do oczu). Mimo e wspomniane problemy wygldaj zniechcajco, uczeni i inynierowie zachowuj optymizm i maj nadziej, e w najbliszych dziesicioleciach uda si stworzy jaki rodzaj osony zapewniajcej niewidzialno. Niewidzialno i nanotechnologia Jak ju wspomnielimy, kluczem do niewidzialnoci moe by nanotechnologia, czyli umiejtno posugiwania si strukturami o rozmiarach atomowych, o rednicy okoo jednej miliardowej metra. Narodziny nanotechnologii wi si ze synnym wykadem wygoszonym w 1959 roku przez laureata Nagrody Nobla Richarda Feynmana pod ironicznym w zamierzeniu tytuem There's Plenty of Room at the Bottom (U podstaw jest wiele miejsca). W wykadzie tym Feynman zastanawia si, jak w zgodzie ze znanymi prawami fizyki mogyby wyglda najmniejsze maszyny. Doszed do wniosku, e mona budowa coraz mniejsze urzdzenia, a do osignicia rozmiarw atomowych, a wtedy do skonstruowania innych urzdze mona by wykorzysta atomy. Atomowe maszyny proste, takie jak bloki, dwignie i koa, w adnym wypadku nie kc si z prawami fizyki, podsumowa, chocia wykonanie ich byoby niezwykle trudne. Nanotechnologia przez cae lata trwaa w letargu, poniewa operowanie pojedynczymi atomami przekraczao dostpne wwczas moliwoci techniczne. Fizycy dokonali jednak przeomu w 1981 roku wraz z wynalezieniem skaningowego mikroskopu tunelowego, za ktrego skonstruowanie uczeni Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, pracujcy w laboratorium IBM w Zurychu, otrzymali Nagrod Nobla w dziedzinie fizyki. Nagle okazao si, e fizycy mog robi zadziwiajce zdjcia" pojedynczych atomw, uoonych jak w podrczniku do chemii - uzyskanie takich obrazw krytycy teorii atomowej uwaali kiedy za nierealne. Moliwe stao si teraz robienie wspaniaych fotografii atomw w sieci krystalicznej lub w metalu. Goym okiem mona byo podziwia czsteczki opisywane przez uczonych we wzorach chemicznych, przekona si o zoonoci uoenia ich atomw. Co wicej, dziki skaningowemu mikroskopowi tunelowemu moliwe stao si manipulowanie atomami. Z poszczeglnych atomw uoono nawet napis IBM", co wywoao poruszenie w wiecie nauki. Posugujc si atomami, uczeni nie musieli ju dziaa na lepo, ale mogli na wasne oczy oglda wyniki pracy. 32

Zasada dziaania skaningowego mikroskopu tunelowego jest zwodniczo prosta. Niczym iga gramofonu na pycie, nad analizowanym materiaem przesuwa si powoli ostra sonda. (Jej wierzchoek jest tak ostry, e stanowi go jedynie pojedynczy atom). Na sondzie umieszcza si niewielki adunek elektryczny, w wyniku czego nastpuje przepyw prdu z sondy, poprzez badany materia, do powierzchni znajdujcej si niej. Gdy sonda przesuwa si nad pojedynczym atomem, ilo przepywajcego przez ni prdu zmienia si, a wszystkie takie zmiany zostaj zarejestrowane. Podczas przesuwania si nad atomem natenie prdu w igle ronie i maleje, oddajc jego ksztat z niezwyk dokadnoci. Gdy przesunie si sond nad prbk wiele razy, mona wykreli diagram przedstawiajcy zmiany w przepywie prdu i uzyska pikny obraz pojedynczych atomw tworzcych sie. (Dziaanie skaningowego mikroskopu tunelowego jest moliwe dziki pewnemu dziwnemu prawu fizyki kwantowej. W normalnych warunkach elektrony nie maj wystarczajco duo energii, eby przej z sondy, przez badan substancj, do znajdujcej si pod ni powierzchni. Zgodnie jednak z zasad nieoznaczonoci, istnieje niewielkie prawdopodobiestwo, e elektrony tworzce prd przetuneluj, czyli przeskocz przez barier, nie baczc na to, e zabrania tego teoria newtonowska. Dlatego prd przepywajcy przez sond jest czuy na niewielkie efekty kwantowe w badanym materiale. Efektami wynikajcymi z teorii kwantowej zajmiemy si bardziej szczegowo w dalszej czci ksiki). Sonda ma odpowiedni czuo umoliwiajc rwnie jej wykorzystanie do przestawiania pojedynczych atomw i tworzenia z nich prostych maszyn". Technika ta jest obecnie tak zaawansowana, e mona na ekranie komputera wywietli obraz grupy atomw, a nastpnie poprzez zwyke manipulowanie kursorem dowolnie zmienia ich uoenie. Mona bez adnych ogranicze przestawia wiele atomw, zupenie jak gdybymy bawili si klockami lego. Oprcz ukadania liter alfabetu z poszczeglnych atomw, mona rwnie tworzy atomowe zabawki, takie jak liczydo zbudowane z pojedynczych atomw. Atomy ukada si na powierzchni, pozostawiajc midzy nimi pionowe szczeliny. W tych szczelinach mona umieszcza fulereny (zbudowane z atomw wgla czsteczki o ksztacie przypominajcym pust w rodku pik). Takie wglowe piki mona nastpnie przesuwa w szczelinach do gry i na d, uzyskujc w ten sposb atomowe liczydo. Moliwe jest rwnie rzebienie atomowych urzdze za pomoc wizki elektronw. Na przykad uczeni z Uniwersytetu Cornella stworzyli wyrzebion w krysztale krzemu najmniejsz gitar wiata, dwadziecia razy mniejsz od ludzkiego wosa. Ma ona sze strun, o gruboci stu atomw kada, ktre mona szarpa, posugujc si mikroskopem si atomowych. (Na tej gitarze rzeczywicie mona wykonywa muzyk, jednak wydobywajce si z niej czstotliwoci s daleko ponad zakresem dwikw odbieranych przez ludzkie ucho). Obecnie wikszo z tych nanotechnologicznych urzdze to jedynie zabawki. Musimy jeszcze troch poczeka, zanim powstan bardziej skomplikowane maszyny, z przekadniami i oyskami kulkowymi. Wielu inynierw jest jednak przekonanych, e czasy, gdy bdziemy potrafili 33

wytwarza prawdziwe urzdzenia atomowe, nie s ju odlege. (Urzdzenia atomowe mona spotka w przyrodzie. Komrki mog swobodnie pywa w wodzie dziki temu, e potrafi porusza malekimi woskami. Jeeli jednak zbadamy poczenie midzy komrk i woskiem, przekonamy si, i znajduje si tam atomowe urzdzenie pozwalajce na poruszanie woskiem we wszystkich kierunkach. Zatem jednym z kluczy do rozwoju nanotechnologii jest naladownictwo przyrody, ktra ju miliardy lat temu opanowaa sztuk tworzenia atomowych urzdze). Hologramy i niewidzialno Innym sposobem na zapewnienie czciowej niewidzialnoci jest filmowanie tego, co dzieje si za dan osob i wywietlanie takiego obrazu ta bezporednio na ubraniach lub na umieszczonym przed ukrywan osob ekranie. Gdy na tak osob patrzy si z przodu, odnosi si wraenie, e staa si przezroczysta, e wiato w jaki sposb przechodzi przez jej ciao na wylot. Naoki Kawakami z laboratorium profesora Tachiego na Uniwersytecie Tokijskim bardzo intensywnie pracuje nad metod, ktr nazywa optycznym kamuflaem. Dziki niej piloci bd mogli spoglda przez podog kokpitu na znajdujcy si pod nimi pas do ldowania, a kierowcy, parkujc, bd mogli obserwowa, co si dzieje za samochodem, patrzc wprost przez tylny zderzak" - mwi Naoki Kawakami. Opisywana peleryna pokryta jest maymi odbijajcymi wiato kulkami, zachowujcymi si niczym ekran kinowy. Kamera wideo filmuje wszystko, co dzieje si za peleryn. Pochodzcy z niej obraz zostaje przesiany do projektora, ktry wywietla uzyskane w ten sposb zdjcia z przodu peleryny tak, e odnosi si wraenie, i wiato przechodzi na wylot przez ubran w ni osob. W laboratorium powstay ju prototypy peleryny zapewniajcej optyczny kamufla. Jeeli spojrzymy wprost na osob ubran w taki dziaajcy na zasadzie ekranu paszcz, odniesiemy wraenie, e znikna, poniewa zobaczymy jedynie obraz tego, co si znajduje za ni. Jeeli jednak przesuniemy odrobin gow, zauwaymy, e obraz na paszczu si nie zmienia, dziki czemu przekonamy si, i nie jest on prawdziwy. W celu uzyskania bardziej realistycznego kamuflau optycznego konieczne byoby stworzenie iluzji obrazu trjwymiarowego, a do tego trzeba by si posuy hologramami. Hologram to trjwymiarowy obraz uzyskany za pomoc laserw (jak trjwymiarowa posta ksiniczki Lei w Gwiezdnych wojnach). Mona by uczyni kogo niewidzialnym, gdyby udao si sfilmowa specjaln kamer holograficzn wszystko, co dzieje si za ukrywan osob, a nastpnie wywietli tak uzyskany obraz na umieszczonym przed ni specjalnym ekranie holograficznym. Kto stojcy przed tak osob widziaby jedynie holograficzny ekran zawierajcy trjwymiarowy obraz tego, co dzieje si za ni,