Αρνητικές αντιδράσεις για την αρνητική διάθλαση!

Από σελίδα του PhysicsWorld, Αύγουστος 2002

Οι φυσικοί ενεπλάκησαν σε μια ασυνήθιστη οξεία διαμάχη γύρω από το θέμα της πραγματικότητας ενός νέου είδους διάθλασης και για την δυνατότητα που δίνει η διάθλαση αυτή για κατασκευή φακών χωρίς σφάλματα.

Αν νομίζετε ότι η επιστήμη είναι μια ομαλή πορεία προς την αντικειμενική αλήθεια, τότε μια ματιά στο συνήθως φιλικό κόσμο των ερευνητών της οπτικής, ίσως σας κάνει να αλλάξετε γνώμη. Η διαφωνία αφορά ένα από τα πιο βασικά φαινόμενα της οπτικής, την διάθλαση. Μια ομάδα ερευνητών πιστεύει ότι μια κατηγορία υλικών μπορεί να διαθλά το φως κατά αντίθετο του συνήθους τρόπο και ότι αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή "τέλειων φακών." Άλλοι όμως πιστεύουν ότι η "αρνητική διάθλαση" παραβιάζει θεμελιώδεις νόμους της φυσικής. Αν και δεν είναι σαφές ποια πλευρά έχει δίκιο, ένα πράγμα είναι σίγουρο. Καμιά πλευρά δεν φαίνεται να εγκαταλείπει την άποψή της. 

Η αρνητική διάθλαση προβλέφθηκε για πρώτη φορά από τον Σοβιετικό φυσικό Victor Veselago την δεκαετία του 60. Αυτός υπολόγισε ότι ένα υλικό που θα είχε αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα και αρνητική ηλεκτρική σταθερά, θα είχε επίσης και αρνητικό δείκτη διάθλασης. Έδειξε λοιπόν ότι, φως που εισέρχεται σ' ένα τέτοιο υλικό - που αποκαλείται "μέσο με αρνητικό δείκτη" - δεν θα πλησίαζε την κάθετο προς την διαχωριστική επιφάνεια, όπως συμβαίνει στα συμβατικά υλικά, αλλά θα περνούσε από την άλλη πλευρά της καθέτου. 

Παρόλα αυτά, η πρόβλεψη του Veselago δεν ελέγχθηκε για πολλά χρόνια, διότι υλικά με αρνητική ηλεκτρική σταθερά δεν υπάρχουν στη φύση, ενώ υλικά με αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα υπάρχουν.Τότε το 1999, ο John Pendry του Imperial College του Λονδίνου και οι συνεργάτες του από το Marconi, υπέδειξαν τον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσαν να κατασκευαστούν τεχνητά υλικά με αρνητική ηλεκτρική σταθερά. Ακόμη παραπέρα ο Pendry, το επόμενο έτος,  δημοσίευσε μια εργασία στην οποία υπολόγισε ότι ένα μέσο με αρνητικό δείκτη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κατασκευαστούν τέλειοι φακοί που θα εστίαζαν ένα είδωλο με διακριτική ικανότητα η οποία δεν θα περιοριζόταν από το μήκος κύματος του φωτός. (Βλέπε στο Physics World,  Σεπτέμβριος 2001 σελ47-51).  

Το 2000 ο David Smith του Πανεπιστημίου της California στο San Diego και οι συνεργάτες του, κατασκεύασαν το πρώτο μέσον με αρνητικό δείκτη. Το υλικό τους δεν είχε την τυπική όψη των γυάλινων πρισμάτων που χρησιμοποιούνται στις σχολικές αίθουσες για να επιδειχθεί η διάθλαση. Ήταν ένα πλέγμα από λεπτά χάλκινα σύρματα, στηριγμένο σε μια πλεκέτα ηλεκτρονικού κυκλώματος. (Βλέπε την εικόνα.) Στέλνοντας μικροκύματα μέσα από ένα τέτοιο υλικό και μετρώντας την γωνία κατά την οποία αυτά απόκλιναν της πορείας τους, η ομάδα του Smith δήλωσε ότι είχε παρατηρήσει αρνητική διάθλαση. 

Αν ο ισχυρισμός αυτός είναι σωστός, δεν θα έπρεπε μόνο να ξαναγραφτούν οι νόμοι της φυσικής, αλλά θα οδηγηθούμε και σε εφαρμογές όπως η κατασκευή DVD πάρα πολύ υψηλής χωρητικότητας με μικρότερο μέγεθος, πιο γρήγορα chips υπολογιστών κλπ. Έρευνες όμως που δημοσιεύτηκαν εφέτος στο περιοδικό Physical Review Letters, θέτει την όλη υπόθεση υπό αμφιβολία. Ο Prashant Valanju και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο του Texas στο Austin, έδειξαν ότι ο αρνητικός δείκτης διάθλασης θα παραβίαζε το θεμελιώδες όριο της ταχύτητας του φωτός. (Phys. Rev. Lett. 2002 88 187401). Επιπρόσθετα οι  Nicolas Garcia και Manuel Nieto-Vesperinas στο Consejo Superior de Investigaciones CientificasI της Μαδρίτης, υπολόγισαν ότι ένας τέλειος φακός θα απαιτούσε άπειρο ποσό ενέργειας για να λειτουργήσει. (Phys. Rev. Lett. 2002 88 207403). 

Πέρα από την κάθετο!

Στην εργασία τους ο Valanju και οι συνεργάτες του υποθέτουν μια παράλληλη δέσμη φωτός να διαδίδεται από ένα μέσον με θετικό δείκτη διάθλασης σε ένα άλλο με αρνητικό δείκτη. Διαπιστώνουν ότι αν η δέσμη διαδίδεται με κάποια γωνία ως προς την διαχωριστική επιφάνεια των δύο μέσων, τότε διαφορετικά σημεία στο μέτωπο κύματος της δέσμης το οποίο είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης της δέσμης, θα φτάνουν στην διαχωριστική επιφάνεια σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.  Αν όμως η δέσμη πρόκειται να διαθλαστεί ώστε να περάσει από την άλλη πλευρά της καθέτου στην διαχωριστική επιφάνεια, τότε όταν οποιοδήποτε σημείο φθάνει στην διαχωριστική επιφάνεια, τότε κάθε άλλο σημείο που βρίσκεται ακόμα στο μέσον με τον θετικό δείκτη, θα πρέπει να διαδοθεί με άπειρη ταχύτητα για να διατηρηθεί το μέτωπο κύματος κάθετο στη δέσμη. 

Οι ερευνητές από το Texas υποδεικνύουν ότι το επιχείρημα αυτό δεν ισχύει για δέσμη φωτός που αποτελείται από μια μόνο συχνότητα. Ισχυρίζονται όμως ότι σ' ένα μέσον αρνητικού δείκτη δεν είναι δυνατόν να δημιουργήσουμε μια πραγματική δέσμη με μια μοναδική συχνότητα,η οποία θα περιγράφεται από μια φασική ταχύτητα (phase velocity), αλλά αυτή θα έχει μια πεπερασμένη διασπορά συχνοτήτων και μια "ταχύτητα ομάδας" (group velocity). 

"Οι φυσικοί χρησιμοποιούν συχνά μονοχρωματικά κύματα στους υπολογισμούς τους διότι αυτά προσεγγίζουν τα πραγματικά κύματα στα θετικά μέσα," λέει ο Valanju. "Όμως δεν μπορούμε να θεωρήσουμε κάτι τέτοιο, όταν αναφερόμαστε σε διάθλαση φωτός μεταξύ μέσων με θετικό και αρνητικό δείκτη."

Σ ένα σχόλιο που στάλθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters σε απάντηση του άρθρου των Valanju και των συνεργατών του, ο  Pendry αντικρούει ότι μια δέσμη φωτός που περνάει από μέσον με θετικό δείκτη σε μέσον με αρνητικό δείκτη, η ομαδική ταχύτητα διαθλάται αρνητικά. Λέει λοιπόν ότι λανθασμένα η ομάδα του Texas ταυτίζει την ομαδική ταχύτητα με την συμβολή διαφόρων διακριτών συχνοτήτων. Ο Valanju λέει ότι δεν προτίθεται να συζητήσει περαιτέρω το θέμα όσο το σχόλιο στο περιοδικό βρίσκεται υπό αναθεώρηση, αλλά επιμένει ότι η ταύτιση της ομαδικής ταχύτητας με την ταχύτητα του αποτελέσματος της συμβολής, όχι μόνο είναι σωστή αλλά αποτελεί στην πραγματικότητα και τον ορισμό της ομαδικής ταχύτητας. 

Η ομάδα του Valanju επιμένει ότι τα σφάλματα στους υπολογισμούς του Pendry ακυρώνουν τα αποτελέσματα του πειράματος του Smith, αν και τα ίδια τα πειραματικά αποτελέσματα είναι σωστά. Επιπρόσθετα οι Garcia, Nieto-Vesperinas και οι συνεργάτες τους στη Μαδρίτη, λένε ότι οι ίδιοι έχουν παρατηρήσει αποτελέσματα όμοια με αυτά της ομάδας του Smith, αλλά σε ένα υλικό που είναι γνωστό ότι έχει θετικό δείκτη διαθλάσεως. Οι ίδιοι ισχυρίζονται ότι η φαινομενικά αρνητική διάθλαση προκαλείται από τον τρόπο κατά τον οποίο το υλικό -σφηνοειδούς σχήματος - απορροφά τα εισερχόμενα κύματα.  

Ο Smith, όμως πιστεύει ότι η Ισπανική ομάδα έχει υπολογίσει λανθασμένα τις ενεργειακές απώλειες στα λεπτά χάλκινα σύρματα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, και υποδεικνύει ότι ο Claudio Parazzoli στην  Boeing έχει εκτελέσει μια πιο ευαίσθητη εκδοχή του ίδιου πειράματος και παρατήρησε παρόμοια αποτελέσματα. 

Που εστιάζεται η διαμάχη

Δεν είναι η αρνητική διάθλαση αυτή καθεαυτή που τίθεται σε αμφισβήτηση, όμως οι Garcia και Nieto-Vesperinas πιστεύουν ότι το άρθρο του Pendry για τους τέλειους φακούς είναι λάθος. Σε κάθε αντικείμενο τα ατομικά δίπολα που εκπέμπουν το ορατό φως δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία που περιβάλλουν το αντικείμενο με κύματα που εξασθενίζουν προοδευτικά με την απόσταση. Αυτά τα κύματα θα αποκάλυπταν χαρακτηριστικά που είναι μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός, αλλά αυτά δεν μπορούν να διαδοθούν μακριά από το αντικείμενο διότι δεν έχουν μαγνητική συνιστώσα. Συνεπώς εξασθενούν πολύ γρήγορα. Ο Pendry όμως έχει υπολογίσει ότι τα φθίνοντα αυτά κύματα μπορούν να ενισχυθούν από μια πλάκα με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Αυτός λέει ότι αν τα κύματα αυτά ενισχυθούν κατά ένα συγκεκριμένο ποσοστό, μπορούν στη συνέχεια να εστιαστούν στο ίδιο σημείο όπως τα φωτεινά κύματα που ακτινοβολεί το αντικείμενο, και έτσι να παραχθεί ένα είδωλο που θα περιέχει λεπτομέρειες μεγέθους μικρότερου από το μήκος κύματος.  

Αντίθετα οι Garcia και Nieto-Vesperinas ισχυρίζονται ότι ακόμη και σε ένα ιδανικό μέσον με αρνητικό δείκτη, τα φθίνοντα κύματα θα υποστούν μόνο μερική ενίσχυση. Σε κάθε περίπτωση όμως, οι ερευνητές αυτοί ισχυρίζονται ότι σ' ένα πραγματικό υλικό, η απορρόφηση θα κατέστρεφε την ενίσχυση. Ο Pendry επιμένει ότι η απορρόφηση μόνο εν μέρει θα εξουδετέρωνε την εστίαση του φακού. Σε απάντηση οι Garcia και Nieto-Vesperinas λένε ότι ο Pendry δεν εκτιμά σωστά την απορρόφηση, και ότι αν αυτή υπολογιστεί σωστά θα κάνει αδύνατη την τέλεια εστίαση.  

Αποκλίνουσες απόψεις

Όχι μόνον η κάθε μια πλευρά σκέπτεται ότι η άλλη έχει άδικο, αλλά διατείνονται ότι ο καθένας με τον οποίο έχουν συζητήσει το θέμα συμφωνεί με την δική τους θέση. Ο Pendry εκτιμά ότι υπάρχου περί τις 100 ομάδες ανά τον κόσμο που ασχολούνται με την αρνητική διάθλαση, πολλά από τα οποία κάνουν υπολογισμούς, εξομοιώσεις με κομπιούτερ, πειράματα που υποστηρίζουν τις θέσεις του. 

Ο Duncan Haldane, ένας θεωρητικός φυσικός που δουλεύει στην συμπυκνωμένη ύλη, βρήκε ενδιαφέρον στο θέμα και παίρνει το μέρος του Pendry. "Δεν υπάρχει ουσιαστικό πρόβλημα με την αρνητική διάθλαση, και δεν βλέπω αντιφάσεις στις αρχές που στηρίζονται οι τέλειοι φακοί " λέει. " Όπως πρωτοπαρουσιάστηκε η πρόταση του Pendry, έμοιαζε πολύ καλή για να είναι αληθινή. Κάτι σαν ένα αεικίνητο, πράγμα που νομίζω διέγειρε τους επικριτές του" συνεχίζει ο ίδιος. 

Από την άλλη πλευρά, ο Marlan Scully, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο Α&Μ του Texas, ειδικευμένος στα λέϊζερ και την κβαντική οπτική, που όπως και ο Haldane δεν ερευνά άμεσα το θέμα, υποστηρίζει τον Valanju και τους περί αυτόν. 

Με την κάθε πλευρά να επιμένει στις θέσεις της, φαίνεται ότι το επιστημονικό αυτό επεισόδιο έχει ακόμη αρκετό δρόμο να τραβήξει.