мета атомы. Проект по физике. Начало.. 1983 год иллюзионист Дэвид Копперфильд демонстрирует главный трюк своей жизни, заставляя статую свободы исчезнуть на глазах миллионов телезрителей и двадцати свидетелей прямо у подножия монумента
 Скачать 24.89 Kb.
|
|
Слайд 2. 1983 год иллюзионист Дэвид Копперфильд демонстрирует главный трюк своей жизни, заставляя статую свободы исчезнуть на глазах миллионов телезрителей и двадцати свидетелей прямо у подножия монумента. Дэвид закрывает статую ширмой, в то время как с вертолёта и с земли на неё светят прожекторы и, по сигналу, ширма спадает и вместо 93 метрового гиганта остаётся пустое место. Потрясающий фокус. Магия, но большинство из вас, конечно же, угадали, что статуя на самом деле не сдвинулась ни на миллиметр, но просто, потому что это невозможно сдвинуть 25 тысяч тонн бетона и металла за секунду. Абсурд. Слайд 3 Секрет трюка в освещении. Когда подняли ширму прожекторы вокруг и внутри монумента выключили, а платформу со зрителями аккуратно повернули. Вот в этот момент, чтобы яркие лампы заслоняли им вид, видно, что при повороте вот тут на радаре переместился блик от лампы. Что произошло? Статуя стала абсолютно неразличимой на фоне ночного неба, поэтому трюк сработал бы только ночью, а эти кадры с пустой площадкой вместо монумента фейк, снятый в другом месте. Скучно. Но что, если я вам скажу, что есть научный способ вернуть магию и заставить объект исчезнуть днём или ночью, если вы хотите творить по-настоящему фантастические вещи за гранью реальности, то вам придётся создать материалы, которые в этой самой реальности не существуют и, которые сами по себе здесь не смогли бы быть. Слайд 4. Они называются метаматериалы, где мета означает за гранью. Если у вас в одной руке яблоко в левой и в правой руке тоже яблоко, если вы их сложите то получите два яблоко, да простейшая математика, что если в одной руке яблоко сложить с яблоком в другой руке и получить апельсин? Почти невозможно но именно так работают композиционные материалы или просто композиты в композитах материалы смешиваются но не вступают в химическую реакцию вместо этого они соединяются как бетон с арматурой внутри, один материал усиливает другой и в итоге получается новое свойство, которое ни один из компонентов поодиночке не имеет. Сегодня мы поговорим о самых удивительных композитах, чьи свойства для учёных иногда звучат безумно – о метаматериалах. Слайд 5. В обычных материалах свойства определяются химическими элементами, то есть атомами и молекулами, из которых они состоят, например золото блестит жёлтым, потому что атомы больше всего отражают именно жёлтую часть спектра, а у метаматериалов свойства определяются в основном в каком порядке эти атомы расположить, то есть сила этих материалов не в том из чего они сделаны, а в том, как они сделаны. И это позволяет нам создавать девайсы которые раньше были только в фантастике, например плащ-невидимку, но не как у копперфильда иллюзию, а настоящий с помощью науки. Слайд 6 пустой Слайд 7. Мы видим все предметы, потому что от них отражается свет и попадает нам прямо в глаз и чтобы понимали как этот принцип можно хакнуть, давайте для начала я покажу вам самое простое устройство для невидимости. Рочестерский плащ, на самом деле это никакой не плащ, а 4 вот таких вот линз, Слайд 8. они сначала как бы скукоживают свой световой пучок, а потом раскукоживают обратно и в результате получаем вот такой карман, где любой предмет будет невидимым. Это зона - слепое пятно, если смотреть прямо через линзу. Слайд 9. Вот смотрите, засовываем туда руку, она исчезает, всё потому что рука на самом деле не стоит на пути света и из-за того что мы его искусственно скукожили свет который казалось бы должен был идти через предмет теперь проходит мимо а предмет оказывается в слепой зоне. Чистая оптика, никакой электроники. Принцип рабочий, управлять движением света чтобы привести его к нашим глазам в обход предмета, осталось только заменить всю эту конструкцию на что-то более универсальное на один метаматериал чтобы можно было смотреть с разных углов, но как это будет работать? Сделает преломление света, то есть будет менять траекторию лучей внутри себя. Слайд 10. Вспомним что такое преломление. Преломление света обычно мы его видим когда свет переходит из одного материала в другой, например: из воздуха в воду и на границе он резко отклоняется от прежней траектории, вы сами могли это видеть в бассейне, когда ваш друг заходил в воду а его нижняя половина тела вот так смешно искажалась что он аж на руке свою голову держит. Слайд 11. Кстати миражи появляются по той же причине. Горячие и холодные слои воздуха преломляют свет по-разному и в результате вам в глаз прилетает отражение не оттуда, куда вы смотрите, например вы в пустыне смотрите на подножие пальмы, а видите верхушку пальмы, потому что свет шел вот таким вот путём: от верхушки пальмы преломляясь несколько раз в нескольких слоях воздуха и далее вам в глаз, по такому же принципу, в жаркий день вы видите на асфальте кусочки неба. Чтобы нам создать устройство невидимости нам нужно будет провернуть такой же фокус что и внутри миражей, но ломать свет нам придётся под ещё более безумными углами. Слайд 12. Вот так искривляет свет обычная вода у которой преломление обычное, в физике говорят что она со знаком +. А вот что могло бы вытворять вещество со знаком -. Назовём его мета водой такую воду ещё не создали. Рыба в этой мета воде с берега казалась бы парящей в воздухе. Но такой воды пока нет, потому что в природе атомы не собираются в такие материалы но где нам их взять? Нам что нужно открыть наверное новый химический элемент? Нет, не нужно, мы сами соберём атомы, в ручнкю. И для этого нам не понадобятся ускорители частиц химики или новые клетки в таблице менделеева. Вместо обычных атомов мы сотворим мета-атомы. Слайд 13. Хитрость в том, что мета-атом собран из сотен или даже тысячи атомов но он всё ещё меньше электромагнитной волны поэтому он может аккуратненько её подвинуть если встанет на её пути. Но стоп, причём здесь волны мы же хотели двигать свет? Слайд 14. Но свет это не только луч фотона это ещё и волна то есть свет ведёт себя как волна потому что часть большой семьи электромагнитных волн. Вот он в этой семье он один из младших братьев, волна света имеет длину всего в сотни нанометров за ним идёт инфракрасное излучение в сотни микрометров микроволны длиной до метра и наконец радиоволны. Эти волны могут вырасти до несколько километров. И для каждой из этих волн мы можем построить свой плащ невидимку если подберём мета атомы которые меньше длины волны той от которой мы прячемся, ведь нам нужно отклонять их очень тонко поэтому для длинных волн мета атомы могут быть крупными как антенны а для коротких волн они должны быть крошечными как вирус. Слайд 15. Плащ невидимка это и есть набор мета атомов которые покрывают полностью наш объект со всех сторон и преломляют электромагнитную волну в тысячах разных мест одновременно. Как тысячи маленьких стёклышек. Такой девайс заставляет волну а заодно лучи обойти предмет со всех сторон а за ним снова сомкнуться в исходный вид, как чёрная дыра заставляет лучи изгибаться под углом создавая эффект линзы но только наш плащ должен сделать это ещё не заметнее чтобы мы не заметили никакого искажения. Мы пока научились скрывать крупные объекты лишь от микроволн и радиоволн потому что для больших волн подобрать мета атомы гораздо проще и сделать плащ тоже проще. Слайд 16 Например такой берём цилиндр который нам нужно спрятать, вот так радиоволна проходит через него без маскировки. Отскакивает во все стороны так что её заметит любой дурак с радаром, а теперь помещаем наш цилиндр внутрь оболочки из мета материала то есть металлических пластин впечатанных в керамику в определённом порядке. Теперь волна спокойно проходит сквозь объект в оболочке как будто и не было никакого препрятствия. К сожалению с видимым светом пока такой фокус не провернуть но не можем мы. Почему? Ну много причин. Слайд 17 Мало того, что сами мета атомы должны быть в несколько раз меньше волны света от 100 нанометров и меньше так ещё и засунуть в плащи невидимки нам удаётся лишь такие же мелкие объекты 15 раз меньше ширины человеческого волоса. Слайд 18. Учёны считают что невозможно скрыть что-то большое вроде человека одним мета материалом, ведь человек не цилиндр, у нас очень сложные формы. Нас сложно маскировать от наблюдателя со всех сторон. К тому же есть несколько нюансов. Слайд 19. Когда свет огибает предмет по более длинному пути то есть по этой дуге а свет рядом проходит по прямой то наш глаз сразу замечает задержку а мозг думает кто-то обманывает. Наконец самое очевидное в плаще это если вы заставите весь свет огибать ваше тело то каждый фотон будет огибать ваше тело в том числе и глаза и вы сами ничего не увидите. Но это не значит что всё это безнадёжно можно подключить активный камуфляж который работает на электронике. И скорее всего первый костюм невидимка будет похож не на мантию гарри поттера. А на адатипный костюм хищника, который работает от батарей и грубо имитирует то что на находится позади. Слайд 20 и 21. Это будет лишь иллюзия невидимости камуфляж как у довольно примитивной разработки quantum steals. Щит из нескольких линз не дают вам увидеть отражение от объекта в центре, заслоняя его светом с краёв. Но раз мы пока не можем подчинить себе все электромагнитные волны, то можем ли мы подчинить какие-то другие волны, например звук? Ведь звук это же тоже волна. Спойлер – да, можем. И сейчас вы увидите чёрную дыру которая может спасти вашу вечеринку от полиции. Слайд 22. Она построена по принципу лабиринта. Чем дальше звук проходит внутрь тем больше встречает стенок постепенно поглощаясь и теряя свою силу на 99%. Этим можно например выложить стены квартиры или гасить этой чёрной дырой для звука все лишние шумы задней стороной динамика. Слайд 23. В звукозаписывающих студиях есть вот эти острые треугольники в безэховых камерах на стене. Да в мета материалах принципы похожи. Но речь скорее о том готовы ли вы клеить на всю стену гигантские треугольники или готовы смотреть на паттерн из лабиринта на стене? Ответ очевиден. Итак вот интересный вопрос, если звук это тоже волна как и свет, можем ли мы собрать для него похожие девайсы и управлять этими волнами? Да. Например если мы можем собрать линзу для света, можем ли собрать линзу для звука. Слайд 24. Конечно, из разных мета материалов в форме кирпичиков и как угодно преломлять звук. Реально даже сделать так что в одном конце комнаты человек будет слушать один звук а в другом конце совсем другой. Слайд 25. В Великобритании уже разработан прототип устройства похожего на объектив фотокамеры, но с двумя акустическими линзами внутри. Такая штука может фокусировать звуковые волны на области размером с мячик и даже отслеживать ваше положение в пространстве пока вы движетесь, Чтобы посылать звук чётко к вашим ушам, а люди вокруг даже и не услышат какая музыка у вас играет. Но я не хочу чтобы вы думали что метаматериалы это только про волны и то как ими управлять. С их помощью можно создавать новую реальность где физика ведёт себя очень странно, ну для нас, больших существ, это называется нанодиапазон. Слайд 26. Это мир в масштабе от 1 до 100 нанометров, а что такого удивительного в этом промежутке? А то что здесь химические свойства в большом куске вещества которые мы видим вообще перестают работать. Над ними начинает доминировать квантовые эффекты, например, золото в таком масштабе больше не блестит жёлтым. Его цвет меняется от красного до фиолетового, в зависимости от размера частиц, а если делать ещё более мелкие наночастицы, но не из золота а из полупроводников, то получим самые сочные красители, квантовые точки. Если раньше для покраски в каждый цвет нужны были разные химические вещества например для красного цвета, то сейчас у нас есть целый световой конструктор и что самое главное из одного и того же вещества. Слайд 27 и 28. Точка из 15 атомов при попадании фотона даёт нам насыщенный голубой цвет, добавим ещё 15 получим зелёный и так доходим до 150 атомов получив весь спектр радуги. Слайд 29 На квантовых точках уже давно работают QLED матрицы в телевизорах где Q значит квантовый и вот такую яркую контрастную картинку они выдают. По сравнению со светодиодами в обычных телевизорах здесь можно получить более точные цвета, как в природе. |