IT-байки: Левитация? Запросто, особенно в наномире

Раньше и солнце было ярче, и вода мокрее, и... научная фантастика была настоящей. Казалось бы, фантазировать – не мешки ворочать, раз – выдумал какой-нибудь неведомый антинаучный эффект, а то и дюжину; два – обрамил всё научно-популярное изложение устами одного из главных героев, три – добавил бэкграундом (по вкусу) сюжет, психологические страсти; на крайний случай, так и быть, сойдёт бездарная лавстори. Увы и ах: заходишь в книжный, разгребаешь развалы с новыми именами – а там и поживиться нечем, в большинстве случаев фантазия авторов ограничивается тривиальным переносом вампирских страстей на улицы Москвы или похождениями какого-нибудь балбеса с менталитетом и замашками Емели-на-печи в псевдо-современной обстановке. Словом, скучища и банальный пересказ классических сюжетов про Колобка, Илью Муромца, курочку Рябу, Буратино и пионера Петю, завёрнутые в современные сказочные финтифлюшки и разбавленные в соответствии с авторскими предпочтениями юмором или любовными соплями, а чаще всего - сценами с кровищей. Хорошо, что застой в научной фантастике не ведёт к застою в науке, хотя, раньше исследователям всё же было проще. Если, к примеру, фантасты придумывали какой-нибудь «гиперболоид», «разговоры на расстоянии» или «полёты по воздуху», то рано или поздно на свет Божий появлялся лазер, мобильник или самолёт. Ушла старая школа фантастов – и всё, теперь учёным приходится творить «за себя и за того парня» - сначала выдумывать немыслимое, затем реализовывать на практике. Особенно наглядным разрыв стал после того, как фронтир интересных исследований «ушёл» в микромир, а затем – и в наномир, а воз фантастики – научной и не очень, как говорится, «и ныне там». «Дорогая, уменьшил детей», робот Бендер Б. Родригес внутри Фрая… Что-нибудь пропустил? Вряд ли. Не думаю, что не упомянул что-либо существенное. Между тем, нет в наше время идей, открытий и исследований более захватывающих, чем в мире нанотехнологий. Микросхемы, невидимость, а теперь и левитация - хоть и в масштабах наномира, но от этого не менее интересная.

---

Для начала давайте договоримся о том, что же именно будем подразумевать под термином «левитация» и нанолевитация. Первоначально термин «левитация» имел отношение исключительно к возможности человека парить в воздухе. Исторические хроники доносят до нас многочисленные свидетельства демонстрации на публике левитации людьми, в том числе, на глазах у достаточно авторитетных деятелей соответствующей эпохи. Так, в XVII веке монах-капуцин Джузеппе Деза, канонизированный впоследствии как Иосиф из Копертино, левитировал, то есть, зависал в воздухе перед папой Урбаном VII, также это явление наблюдал в своё время Лейбниц. Подобные страсти рассказывают о Серафиме Саровском, архиепископе Новгорода и Пскова, а также о Василии Блаженном, который якобы был способен не только зависать в воздухе, но и в присутствии многочисленных зрителей перелетать через Москву-реку. Большая Британская энциклопедия определяет термин «левитация» как сверхъестественную способность становиться легким по собственному желанию и осуществлять подъем тела в воздух без применения механизмов. Вот здесь, пожалуй, и кроется главная закавыка: что именно подразумевать под механизмами. Имеется в виду, без крыльев, тросов, ходуль; в ту же топку – мощные вентиляторы, иначе так можно договориться до людей, «левитирующих» в аэродинамической трубе. Реактивные двигатели и ранцы, магнитная подушка и сочетание магнитного поля со свойствами сверхпроводящей керамики, акустическое или просто аэродинамическое «отталкивание» от поверхности - все эти штуки, вполне применимые в промышленности, ассоциируются с эффектом левитации человеком уже слабее. Предположения о левитации вследствие приложения некой «психической энергии» тоже придётся отправить в топку. Точнее, область исследования скрытых возможностей человеческого мозга для биогравитации пока оставим на растерзание современным фантастам. Если интересно моё личное мнение, то возможность мозга генерировать энергию любого рода, достаточную для транспортировки вполне себе материального тела весом, скажем, 80 килограмм, я воспринимаю с той же долей скепсиса, что и Карлсон, усомнившийся в возможности умещения домоправительницы в маленькой коробочке телевизора. Может быть, всё может быть, но пока смахивает на фантастический бред. Так что давайте пока оставим «левитирующих человеков» - равно как и слабо проработанные с научной точки зрения вопросы антигравитации, в покое, и рассмотрим «техническую левитацию» в наномире – «нанолевитацию», достигаемую с помощью физических сил, пока не исследованных с должной тщательностью. Поговорим о новых открытиях шотландских исследователей, о причудливых правилах квантовой физики и о метаматериалах на базе наноструктур.

---

На прошлой неделе большинство СМИ облетела новость о прорыве в исследованиях левитации, совершённом группой учёных из шотландского университета Св. Андрея (University of St Andrews School of Physics & Astronomy) под руководством профессора Ульфа Леонардта (Ulf Leonhardt) и доктора Томаса Филбина (Thomas Philbin). Возможно, вам будет любопытно узнать, что эта же команда физиков-теоретиков совсем недавно вызвала фурор в печати исследованиями совершенно другого фантастического феномена, а именно, доказала реальность создания материалов, способных делать невидимыми людей или достаточно крупные объекты. Об этом вы можете прочитать в нашей недавней статье IT-байки: О невидимости, мнимой и настоящей. Парадоксально, но оба исследования – и свойств невидимости, и эффекта левитации, связаны воедино предметом исследования шотландских учёных, а именно так называемых «мета-материалов», то есть, комплексных гибридных наноструктур из металлов и изоляторов. Про невероятные оптические свойства метаматериалов вы сможете прочесть в указанной выше статье, а сегодня мы исследуем их физические свойства. Для удобства описания процессов квантовой теории поля, вакуум с физической точки зрения описывают как процесс взаимодействия объектов с виртуальными частицам. Вакуум – это не пустота, но среду взаимодействия виртуальных частиц и античастиц с сопутствующими флуктуациями связанных с ними полей, например, рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всему спектру электромагнитных волн. В случае же близкого взаимодействия зеркальных поверхностей на резонансных расстояниях, кратных целым или полуцелым длинам волн, возможно значительное усиление электромагнитной активности, подавляемое для более длинных волн. То есть, между этими поверхностями, находящимися на резонансных расстояниях, возникновение виртуальных фотонов количественно превышает тот же процесс снаружи. Эффект от этого - самое настоящее притяжение поверхностей, по силе обратно пропорциональное четвертой степени расстояния, то есть, значительно возрастающее по мере уменьшения количества резонансных длин волн между объектами. Сколько-нибудь измеримой сила этого взаимодействия становится лишь на достаточно малых расстояниях между объектами, однако уже на уровне субмикронных длин эта сила становится достаточно сильной и доминирующей – разумеется, если речь идёт о не заряжённых проводниках. Более того, на расстоянии порядка 10 нм, что сравнимо с сотней размеров атомов, эта сила примерно эквивалентна давлению в 1 атмосферу. Впервые эффект возникновения физической силы, вызываемой взаимодействием между двумя проводящими незаряженными объектами при резонансе энергетических полей был предсказан и теоретически сформулирован голландскими физиками Хендриком Казимиром (Hendrik B. G. Casimir) и Дирком Полдером (Dirk Polder), работавшими в Philips Research Labs, ещё в 1948 году. С тех пор физики так его и называют - Эффект Казимира (Casimir Effect), или Сила Казимира-Полдера (Casimir-Polder Force). Теория была подтверждена практическими экспериментами, наиболее точными из которых оказались исследования 1997 года. В современной теоретической физике эффект Казимира играет важную роль в описании киральной модели субъядерной частицы атома – нуклона. Что же касается прикладной физики, изучение этого эффекта приобретает в наше время очень важную роль в исследованиях возможностей и свойств наноматериалов. Поверьте мне, переводить научные формулировки в научно-популярный вид – занятие достаточно неблагодарное, к тому же чреватое дичайшими упрощениями, что может только запутать понимание физической сути явления. Поэтому всем, кто интересуется подробностями и формулами, могу предложить список первоисточников, изложенный в конце этой статьи, а мы продолжим дальше в том же духе, не углубляясь в основные постулаты квантовой механики более, чем это требуется для подобного повествования. Вот теперь – самое интересное: учёные также выяснили, что явление вполне актуально и для поверхностей со сложной геометрией. А что если использовать для исследований материалы, пропускающие электромагнитные волны, но при этом обладающие отрицательным коэффициентом преломления? Занимаясь изучением свойств таких материалов, в природе, кстати, не встречающихся, учёные рано или поздно должны были прийти к подобной мысли. Вот, собственно говоря, и вся подоплёка изобретения «эффекта левитации» в упрощённом изложении: шотландские учёные, исследовавшие свойства метаматериалов на основе гибридных наноструктур из металлов и изоляторов, как раз и выяснили, что при определённой геометрии поверхностей эффект Казимира, обычно притягивающий объекты, образно говоря, может «обзавестись» знаком минус, то есть, объекты попросту начнут отталкивать друг друга. В принципе, это очень похоже на эффект магнитной левитации, с той лишь разницей, что речь идёт о немагнитных материалах, и масштабы измеряются долями микрона. Тем не менее, буквально на наших глазах левитация превращается из исключительно фантастического сверхъестественного явления в научный факт - по крайней мере, если и не реализованный на сегодняшний день на практике и актуальный только для наномира, но вполне реальный - в рамках теории. Это не гравитация, не электричество, не магнитный или акустический эффект, но до практического использования пока далеко. С другой стороны, в статье, опубликованной на днях в New Journal of Physics, профессор Ульф Леонардт и доктор Томас Филбин сообщают, что в их лаборатории уже сконструированы специальные «линзы» из метаматериалов с отрицательной рефракцией (Left-handed, или negatively-refracting lens) для проведения практических опытов по подтверждению обратного эффекта Казимира, и она опробована на практике. Суть эксперимента сводится к размещению «сэндвича» из «идеальных линз с отрицательным коэффициентом преломления» между двумя объектами. «Что за зверь такой» - отрицательный коэффициент преломления, в дальнем приближении несколько объясняет рисунок ниже. В настоящее время появились публикации о том, что американские учёные - в частности, команда доктора Фредерика Капассо (Dr Frederico Capasso) из Гарвардского Университета (Harvard University), США, также ведёт практические исследования по управлению эффектом Казимира и, по данным The Scotsmen, в ближайшее время планирует подтвердить результаты опытов шотландских коллег. Разумеется, практическая сторона использования таких линз и систем пока что лежит вдалеке от воплощения идей вроде «классической» левитации. Пока что – никаких Питеров Пенов: вряд ли в обозримом будущем мы увидим господина Человека-Паука, бодро шарахающегося по стенам небоскрёбов с помощью присосок на эффекте Казимира; увы, пока не стоит ожидать и самолётов-автомобилей-велосипедов – даже скейтбордов, парящих в воздухе с помощью обратного эффекта Казимира – скорее уж антигравитацию доведут до ума. И всё же практика применения «нанолевитации» может оказаться неизмеримо важнее тривиальных транспортных идей. Уже сейчас технологии, особенно в электронике, оперируют размерами в десятки нанометров, и буквально в ближайший десяток лет счёт пойдёт на единицы. Представьте себе для примера, что «нанолевитация» на соответствующем наноуровне сможет помочь избавиться от вечного врага механических систем – трения! Профессор Леонардт так высказывается об этом:

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

Иными словами, профессор считает силу Казимира первопричиной эффекта трения для явлений наномасштабов, в особенности это относится и к микроэлектромеханическим системам (MEMS). Таким образом, нанолевитация на базе метаматериалов поможет создавать механизмы, полностью лишённые трения. Кстати, сила Казимира, сравнимая на наноуровнях с эффектом «прилипания» лапок мухи к потолку, уже сейчас является серьёзной проблемой для многих разработчиков нанотехнологий, особенно в полупроводниковой промышленности, так что можно сказать с уверенностью, что новое открытие подоспело вовремя. Дальше можете отпускать свою фантазию в полный творческий полёт. Идея может быть реализована в крохотных, чуть ли не вживляемых в организм человека электронно-механических медицинских «лабораториях в наночипе», измеряющих все ключевые параметры крови в режиме Non-Stop или тестирующие продукты или лекарства на пригодность. Это могут быть сверхминиатюрные триггеры, ответственные за срабатывание подушек безопасности в автомобиле. Не исключено, что в будущем именно вы будете генерировать интересные идеи, и, может быть, некоторые ваши «наноидеи с нанолевитацией» со временем будут реализованы на практике или хотя бы попадут в научную фантастику… Кстати, по вопросу левитации крупных объектов, например, человека, учёные не зарекаются, хотя и не говорят пока ничего конкретного. Теоретически возможно и это, хотя до воплощения подобных идей на практике пройдёт ещё немало времени. Список источников:

• New Journal of Physics
• University of St. Andrews
• Quantum Levitation web page from Ulf Leonhardt, with explanations of the Casimir Force and Negative Refractive Index
• Physics World
• The Scotsman
• Science Daily
• American Chronicle
• Wikipedia