Chuyện kể về người tàng hình và những vật hỗ trợ tàng hình đã ăn sâu vào tâm khảm con người hàng thiên niên kỉ qua. Sidney Perkowitz cho biết những câu chuyện thần thoại và tưởng tượng này nay đang trở thành hiện thực.
>> Xem Phần 1
Từ phản xạ lùi
Một cách tiếp cận nữa từ những câu chuyện kể buổi đầu đó – sự trong suốt hoàn toàn – dường như không thể nào đạt tới đối với con người hay sự vật. Nhưng vào năm 20043, một đội nghiên cứu đứng đầu là Susumi Tachi, người khi đó làm việc tại trường Đại học Tokyo, đã tạo ra một loại trong suốt ảo gọi là công nghệ chiếu phản xạ lùi, hay sự ngụy trang quang học. Nó xuất hiện trong phản ứng trước một vấn đề tìm thấy trong những ứng dụng thực tại ảo kết hợp môi trường thực tế với những môi trường ảo hay môi trường do máy tính tạo ra. Trong những trường hợp như thế, ảnh ảo được chiếu từ điểm nhìn của người quan sát lên trên một khung cảnh thật. Khó khăn xuất hiện nếu như ảnh chiếu, thí dụ ảnh những ngọn núi đằng xa, chạm tới một vật thật, thí dụ một bức tường. Dãy núi sẽ dường như hiện ra lờ mờ phía sau bức tường, nhưng ảnh chiếu thì lại rơi lên phía trước bức tường, vì thế làm phá vỡ một trong nhiều chiều sâu làm cho khung cảnh trông như thật.
Khi xét vấn đề xử lí chiều sâu này, nhóm của Tachi đã đi tới một phương pháp làm cho một vật rắn, có thật dường như trong suốt đến mức cái nằm phía sau nó có thể hiện rõ như nhìn xuyên qua vật vậy. Bước thứ nhất là làm cho vật thật phản xạ ánh sáng tới trở lại nguồn, hay “phản xạ lùi”. Đây là cái làm cho mắt mèo lóe lên kì quái trước đèn pha xe hơi, và nó có thể thu được bằng cách dùng nước sơn hay chất liệu chứa những hạt thủy tinh nhỏ. Sau đó, một camera ghi lại cái nằm phía sau vật và ảnh được chiếu qua một cái gương truyền đặc biệt lên trên vật. Người xem nhìn qua cái gương, nếu đặt thích hợp, nhìn thấy vật thật cùng với ảnh của cái nằm phía sau chồng lên trên vật.
Kết quả là một ảo giác kì lạ của sự trong suốt, như thể hiện trong các video của nhóm Tachi cung cấp. Quang cảnh đường phố nhộn nhịp dường như có thể nhìn thấy qua những vật mẫu mặc áo vét hoặc áo khoác phản xạ lùi. Tin tức lan truyền khi ấy dồn dập xem Tachi là người phát minh ra sự tàng hình đích thực, nhưng ảo giác đó chưa hoàn hảo, vì ảnh nền hơi bị mờ đi và đường nét của quần áo mặc có thể nhìn thấy. Nghiêm trọng hơn, thiết bị quang học phải bố trí tinh vi và người quan sát cố định tại một chỗ thích hợp, nhìn qua gương, nếu không thì ảo giác không còn. Tuy nhiên, một bản báo cáo năm 2007 của quân đội Canada lưu ý rằng sự ngụy trang quang học có thể che giấu, nói thí dụ, nguyên một chiếc xe tăng, bằng cách làm cho nó trong suốt thực sự, mặc dù điều đó chỉ hoạt động đối với một chiếc xe tăng được bố trí khi nhìn từ một vị trí đặc biệt.
Nhóm của Tachi, hiện nay tại trường Đại học Keio, còn phát triển “buồng lái trong suốt” cho phép người tài xế nhìn trọn vẹn khung cảnh xung quanh xe. Các camera gắn ngoài trên xe gửi ảnh đến một máy vi tính. Người lái xe bật máy chiếu gửi đi những hình ảnh, đã biến đổi như thể nhìn từ vị trí của người lái xe, lên trên lớp tráng phản xạ lùi ở mặt trong của xe. Một trình diễn thu hút sự chú ý do nhóm Tachi thực hiện cho thấy dòng xe san sát nhau hiện rõ qua cửa và bảng đồng hồ của xe hơi. Chưa hết, những nhà phát minh còn tưởng tượng người lái trực thăng nhìn qua một buồng lái trong suốt như thể đang bay trong một lớp không khí mỏng – một máy bay tàng hình thật sự giống như chiếc của siêu anh hùng truyện tranh Wonder Woman sử dụng.
Đến sự tàng hình...
Tuy nhiên, dạng gây ấn tượng nhất của sự tàng hình đích thực thì tinh vi hơn nhiều: ánh sáng bị uốn cong vòng quanh một vật thay vì tương tác với nó, cạnh tranh với dụng cụ tàng hình Star Trek. Giống như nước trong một dòng chảy tách ra xung quanh một tảng đá rồi nhập trở lại thành một dòng êm đềm đi tiếp, các tia sáng lệch ra xung quanh một vật, sau đó kết hợp lại và tiếp tục truyền đi như thể chưa có gì xảy ra cả.
Quan điểm này có từ một ý tưởng cũ. Năm 1964, Victor Veselago thuộc Viện Vật lí Lebedev ở Moscow đã nêu lí thuyết về sóng điện từ trong một môi trường với một tính chất chưa từng nghe nói tới: chiết suất âm. Chiết suất, n, là tỉ số của tốc độ ánh sáng trong chân không, c, và tốc độ của nó trong môi trường đó. Tốc độ này luôn luôn nhỏ hơn c, nên n luôn lớn hơn 1 trong mọi môi trường đã biết. Nhưng Veselago nhận thấy n sẽ âm nếu như hằng số điện môi của một môi trường, ε, và độ từ thẩm, μ, những hằng số xác định các phản ứng điện và từ của nó, đều có giá trị âm.
Một môi trường như vậy, ông dự đoán, sẽ làm khúc xạ ánh sáng theo hướng ngược-với-bình-thường, cho nên một thấu kính lõm sẽ làm hội tụ các tia sáng và một thấu kính lồi sẽ làm phân kì các tia sáng; môi trường đó sẽ bị hút về phía nguồn sáng, thay vì bị đẩy ra xa bởi áp suất bức xạ; và nó mang lại một hiệu ứng Doppler nghịch, với ánh sáng bị lệch xanh thay vì lệch đỏ khi nguồn chuyển động ra xa người quan sát.
Lí thuyết trên vẫn không được kiểm tra cho đến năm 2000, khi các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California, San Diego, xây dựng một siêu chất liệu đáp ứng các điều kiện của Veselago. Nó cấu tạo từ hàng trăm đơn vị cỡ mili mét sắp xếp theo kiểu tuần hoàn, giống như các nguyên tử trong tinh thể. Có hai loại đơn vị: những dải đồng, trong đó một bổ thể lớn của electron tác dụng để mang lại ε < 0; và những bộ cộng hưởng bằng đồng vòng tách chữ C, trong đó những dòng điện cảm ứng do ánh sáng tới gây ra tạo ra những hiệu ứng từ cho μ < 0. Ở bước sóng vi sóng 3 cm, siêu chất liệu trên thu được n = - 2,7 và biểu hiện sự khúc xạ nghịch.
Cấu trúc này cho thấy làm thế nào tạo ra những giá trị n không tìm thấy trong tự nhiên và, hóa ra, làm thế nào để làm cho mọi vật vô hình. Vào năm 2006, lí thuyết tàng hình đã được công bố đồng thời bởi Ulf Leonhardt ở trường Đại học St Andrews và John Pendry tại trường Cao đẳng Hoàng gia London cùng với David Smith và David Schurig thuộc trường Đại học Duke ở Mĩ. Nhóm vừa kể sau đã tính ra đặc trưng khúc xạ của một vỏ cầu rỗng sẽ chặn đứng những tia sáng tới, uốn cong chúng vào lớp vỏ và truyền qua, sau đó làm khúc xạ chúng trở lại theo đường đi ban đầu liên tục của chúng. Chiết suất cần thiết biến thiên bên trong lớp vỏ, ở một số chỗ nó nhận giá trị kì lạ là nhỏ hơn 1, thậm chí có chỗ còn nhỏ hơn không.
Cũng trong năm đó, nhóm của Smith tại trường Duke, trong đó có Schurig, cùng với Pendry và những người khác, đã sử dụng lí thuyết này xây dựng nên áo tàng hình siêu chất liệu đầu tiên. 10 cái vòng đồng tâm của nó, đường kính từ 5,4 đến 11,8 cm, chứa hàng nghìn bộ cộng hưởng vòng tách bằng đồng với chiều kích biến thiên trên các vòng để mang lại hành trạng không gian thích hợp cho n. Một hình trụ bằng đồng, rộng 5 cm, không tàng hình, làm tán xạ mạnh vi sóng 3,5 cm và tạo ra một cái bóng; nhưng khi vật được đặt bên trong khe hở ở giữa của áo tàng hình, thì sự tán xạ và bắt bóng của nó giảm xuống hầu như không còn gì. Ảnh của vi sóng cho thấy chúng đi vào áo tàng hình, tách ra để đi qua khe hở chính giữa của nó, và kết hợp trở lại để ló ra ở phía bên kia với hình dạng giống như lúc nào đi vào, y hệt như đã tính toán.
Sự tàng hình bắt đầu như thế nào. Áo tàng hình siêu chất liệu đầu tiên, chế tạo vào năm 2008 bởi một đội nghiên cứu, đứng đầu là David Smith thuộc trường Đại học Duke.
Không có gì bất ngờ khi thành công này thu hút được sự chú ý của đông đảo công chúng, được hỗ trợ thêm bởi những dòng tít báo chí phô trương như “Áo tàng hình kiểu Harry Potter ‘trong 5 năm nữa’”. Niềm hứng khởi khoa học cũng dâng cao, và đến nay các nhà nghiên cứu đã trích dẫn công trình này chừng 800 lần. Hoạt động sôi nổi như vậy đã làm nổi lên viễn cảnh chúng ta vượt qua được những rào cản đáng kể để đạt tới sự tàng hình đối với bước sóng khả kiến 400 – 750 nm. Một thách thức là các kim loại như đồng chẳng hạn bị hấp thụ cao ở đó, nên bản thân áo tàng hình sẽ tạo ra một cái bóng. Một thách thức nữa là các nguyên tố siêu chất liệu cần phải nhỏ hơn bước sóng đó, nghĩa là đối với ánh sáng khả kiến thì đó là những cấu trúc nano thay cho những nguyên tố cỡ mili mét trong các thí nghiệm vi sóng. Một thách thức thứ ba là các bộ cộng hưởng vòng phân tách chỉ cho m < 0 ở những bước sóng nhất định. Đây là một nguyên do nữa lí giải tại sao khó làm cho các vật trở nên vô hình trong vùng phổ điện từ, trong đó có phần nhìn thấy của nó.
Triển khai thực tế. Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét của tấm thảm tàng hình chế tạo vào năm 2011 của nhóm Jingjing Zhang thuộc DTO Fotonik, Đan Mạch.
Tuy nhiên, một đột phá trong sự tàng hình quang học là “thảm tàng hình” do John Pendry và Jensen Li phát minh ra hồi năm 2008 – một siêu chất liệu chỉ cần giá trị n biến thiên theo không gian, không cần các vòng cộng hưởng, để làm cho một chỗ u trên bề mặt trông như phẳng, do đó làm che khuất một vật bên dưới. Hồi năm 2009, tấm thảm tàng hình đó được chứng minh với vi sóng và với ánh sáng hồng ngoại gần, chừng 1500 nm, nhưng chỉ hoạt động với những vật vi mô. Vào cuối năm 2010, hai nhóm nghiên cứu khác nhau đã trình bày một cách tiếp cận khác. Gần như đồng thời với nhau, họ tường thuật việc đạt tới sự tàng hình đối với những vật kích cỡ từ mili mét đến centi mét trên ngưỡng nhìn thấy từ màu đỏ đến màu lam. Điều đáng chú ý là những kết quả này không đòi hỏi những siêu chất liệu phức tạp, mà sử dụng những tính chất quang học dị hướng của tinh thể calcite có mặt trong tự nhiên để tạo ra một dạng thảm tàng hình.
... và hơn thế nữa!
Nền khoa học tàng hình đích thực chỉ mới 5 năm tuổi. Nhưng nay thì các nhà khoa học biết rằng sự tàng hình là có thể, họ đang hướng đến những thiết bị đỉnh cao và những ứng dụng quân sự để tìm kiếm nguồn tài trợ cho nghiên cứu. Ngoài sự tàng hình, và bất chấp những phương pháp đơn giản hơn như sử dụng calcite được phát triển thêm, các siêu chất liệu vẫn đang mang lại những tiến bộ mà trí tưởng tượng hay truyện khoa học viễn tưởng không nhìn thấy trước, thí dụ như những “siêu thấu kính” với độ phân giải tốt hơn nhiều so với những thấu kính thông thường. Những thấu kính cải tiến này, lần đầu tiên, có thể nhìn thấy virus và protein một cách trực tiếp với kính hiển vi ánh sáng nhìn thấy. Chúng còn đưa đến những chiếc máy vi tính hiệu quả hơn, vì số dụng cụ có thể gói ghém trên một con chip máy tính bị giới hạn bởi độ phân giải của hệ thống quang lắp đặt nó. Những khả năng khác bao gồm việc sử dụng siêu thấu kính âm học để cải thiện chất lượng quét siêu âm y khoa, và sử dụng các nguyên lí kiểu siêu chất liệu để xây dựng những công trình “vô hình” trước những con sóng địa chấn hay sóng thần hủy diệt.
Còn có một lộ trình khác song song với sự tàng hình con người – một lớp vỏ bọc vượt xa hơn công nghệ chiếu phản xạ lùi của Tachi. Chiếc áo tàng hình đích thực này sẽ thu ảnh trực tiếp từ những bộ cảm biến phía sau của nó và chiếu ảnh thu từ dụng cụ ra phía trước của nó. Chiếc áo tàng hình sẽ trông như trong suốt ngay cả khi nó hoặc người quan sát đang chuyển động. Vào năm 2002, Franco Zambonelli và Marco Mamei tại trường Đại học Modena, và Reggio Emilia ở Italy, đã đề xuất một chiếc áo tàng hình chứa đầy những bộ dò và phát ánh sáng bề ngang 5 µm, nối mạng không dây ở tốc độ terabyte, có thể duy trì động lực học một ảo giác thuyết phục rằng nó không có mặt ở đó. Họ đề xuất rằng sự chuyển động của chiếc áo có thể cấp điện cho mạng lưới thông qua những dụng cụ áp điện biến đổi sức căng cơ học thành điện áp, mặc dù điện năng còn có thể xuất xứ từ nhiệt cơ thể của người mặc. Một chiếc áo như vậy với diện tích 3 m2 sẽ tốn chưa tới 500.000 bảng Anh, họ đề xuất, và trong khi đó chúng ta chưa có những dụng cụ có kích cỡ và khả năng cần thiết, cho nên hi vọng nằm ở những bộ dò và phát xạ ánh sáng nhỏ chế tạo từ những đơn vị bán dẫn cỡ nano mét gọi là chấm lượng tử. Những chấm này có thể hình thành trong những ma trận lớn, và một phương pháp thích hợp để tạo ra áo tàng hình đã được thử nghiệm thành công: đặt các chấm vào trong dung dịch và rải chúng lên trên vải qua một máy in mực phun.
Thần Athena, Người Vô hình, cùng những nhân vật thần thoại và tưởng tượng khác không thể nào tưởng tượng ra một cơ cấu dây chuyền máy in phun gieo rải công nghệ tàng hình lên trên vải vóc; tuy nhiên, những ai từng quen thuộc với những bộ đồ ngụy trang “tắc kè” của truyện khoa học quân sự viễn tưởng – thí dụ như bộ quân phục thế kỉ 25 của Lữ đoàn Vũ trụ trong bộ phim Quả đấm Sao của David Sherman và Dan Cragg – sẽ không có gì bất ngờ. Và, dường như là cái không thể tránh được, nếu như giá thành của một cái áo tàng hình sản xuất hàng loạt cuối cùng giảm từ 500.000 bảng xuống, nói thí dụ, còn 19,95 bảng, thì rốt cuộc chúng ta sẽ phải đối mặt trước câu hỏi mà Glaucon đã nêu ra cách nay lâu lắm rồi: nếu những hành động đáng ngờ trở nên khó bị phát hiện, thì đạo đức có còn hay chăng?
Sidney Perkowitz
Physics World, tháng 7/2011
Trần Nghiêm dịch
