Áo choàng tàng hình như trong phim — khoác lên là biến mất trước mọi ánh mắt, ở mọi góc nhìn, dưới mọi loại ánh sáng — hiện chưa tồn tại. Thứ khoa học đã làm được là những "tấm che" trong phòng thí nghiệm: che được vật nhỏ, ở một dải bước sóng hẹp, thường chỉ từ một số hướng nhìn. Khoảng cách giữa hai điều đó rất lớn, và hiểu vì sao lớn là hiểu được cả một ngành vật lý mới.
Vì sao ta nhìn thấy một vật
Muốn biết làm sao để không bị thấy, phải bắt đầu từ chuyện vì sao bị thấy. Mắt ta không "phóng" gì ra ngoài. Nó chỉ nhận ánh sáng đi tới. Một vật hiện ra trước mắt vì nó làm xáo trộn ánh sáng theo một trong ba cách:
- Hấp thụ: nuốt bớt ánh sáng, nên chỗ đó tối hơn hoặc có màu khác xung quanh.
- Phản xạ và tán xạ: hắt ánh sáng về phía mắt ta từ những hướng mà lẽ ra không có ánh sáng.
- Khúc xạ: bẻ lệch đường đi của tia sáng xuyên qua nó, làm cảnh phía sau bị méo. Đây là lý do một cốc nước trong vắt vẫn lộ ra.
Một chiếc áo tàng hình hoàn hảo phải làm được cả ba việc ngược lại cùng lúc: không hấp thụ, không hắt lại, và để ánh sáng từ phía sau đi tới mắt người nhìn đúng như thể không có gì cản đường. Không có loại vải hay sơn nào làm được việc đó, vì vật liệu tự nhiên chỉ có thể bẻ ánh sáng theo vài kiểu hạn chế.
Bốn hướng tiếp cận mà các nhà khoa học đã thử
Từ đầu những năm 2000 đến nay, có bốn hướng chính. Mỗi hướng làm được một phần, và mỗi hướng có một cái "giá" riêng.
| Hướng | Ý tưởng | Làm được gì | Giới hạn chính |
|---|---|---|---|
| Siêu vật liệu dẫn sóng | Bẻ ánh sáng vòng quanh vật rồi trả về đường cũ | Thí nghiệm Duke 2006 với vi sóng | Một tần số, hai chiều, rất khó làm cho ánh sáng nhìn thấy |
| Áo "thảm" (carpet cloak) | Giấu vật dưới một chỗ phồng, làm chỗ phồng trông như mặt phẳng | Che vật cỡ micromet bằng ánh sáng hồng ngoại gần (2009), vật cỡ milimet bằng tinh thể canxit (2011) | Chỉ trên mặt phẳng phản chiếu, phụ thuộc phân cực và góc nhìn |
| Quang học thông thường | Dùng thấu kính, gương dẫn ánh sáng đi vòng | Thiết bị Rochester 2014, che được vật cỡ bàn tay | Chỉ hiệu quả trong một vùng góc nhỏ quanh trục |
| Camera và màn chiếu | Quay cảnh phía sau rồi chiếu lên mặt trước | Mẫu "nguỵ trang quang học" của Susumu Tachi (Đại học Tokyo) đầu thập niên 2000 | Đúng ở một vị trí nhìn, cần thiết bị, có độ trễ |
Siêu vật liệu: bẻ cong đường đi của ánh sáng
Năm 2006, tạp chí Science đăng hai bài lý thuyết cùng lúc: một của John Pendry (Imperial College London) cùng David Schurig và David Smith (Đại học Duke), một của Ulf Leonhardt (khi đó ở Đại học St Andrews). Cả hai chỉ ra rằng nếu điều khiển được tính chất quang học của vật liệu tới từng điểm, ta có thể "uốn" không gian mà ánh sáng cảm nhận, buộc tia sáng đi vòng quanh một vùng rồi gặp lại nhau ở phía bên kia như chưa từng bị lệch. Vật nằm trong vùng đó sẽ không chạm vào ánh sáng nào.
Vật liệu cần cho việc này không có trong tự nhiên, nên phải chế tạo: đó là siêu vật liệu (metamaterial), ghép từ những cấu trúc nhỏ hơn bước sóng. Cuối năm 2006, nhóm Duke dựng mẫu đầu tiên bằng các vòng đồng in trên tấm mạch, che được một ống kim loại khỏi vi sóng. Đây là bằng chứng nguyên lý đúng — nhưng chỉ cho vi sóng, chỉ trong mặt phẳng hai chiều, và chưa hoàn hảo.
Áo "thảm": giấu vật dưới sàn gương
Năm 2008, Jensen Li và John Pendry đề xuất một cách dễ hơn: thay vì giấu vật lơ lửng giữa không trung, hãy giấu nó dưới một chỗ phồng trên một mặt phản chiếu, rồi phủ lớp vật liệu sao cho chỗ phồng phản chiếu y như mặt phẳng. Năm 2009, nhóm của Xiang Zhang ở Đại học California, Berkeley và nhóm của Michal Lipson ở Đại học Cornell lần lượt làm được với ánh sáng hồng ngoại gần, trên con chip silic. Năm 2011, hai nhóm độc lập (một ở MIT – Singapore, một ở Đại học Birmingham) dùng hai mảnh tinh thể canxit ghép lại để giấu vật cỡ vài milimet đến vài centimet dưới ánh sáng nhìn thấy. Điều kiện: ánh sáng phải có phân cực phù hợp và vật phải nằm trên mặt phẳng.
Thấu kính và camera
Hai hướng còn lại không cần vật liệu mới. Thiết bị của John Howell và Joseph Choi ở Đại học Rochester (2014) chỉ dùng bốn thấu kính bán sẵn, xếp sao cho ánh sáng đi qua hệ như đi qua không khí, còn vùng quanh trục giữa bị "bỏ qua". Hướng camera – màn chiếu thì đơn giản về nguyên lý: quay cảnh phía sau và chiếu lên mặt trước. Nhóm Susumu Tachi dùng vải phản quang ngược (loại vải hắt ánh sáng về đúng hướng nó tới) để hình chiếu sáng rõ — nhưng chỉ người đứng đúng chỗ máy chiếu mới thấy "trong suốt".
Ba bức tường vật lý chưa vượt qua
Đọc tin "các nhà khoa học tạo ra áo tàng hình" thì nên hỏi ba câu. Câu trả lời thường cho thấy thành tựu thật nằm ở đâu.
Bước sóng nào?
Ánh sáng ta thấy có bước sóng từ khoảng 400 đến 700 nanomet. Siêu vật liệu muốn điều khiển ánh sáng phải có cấu trúc nhỏ hơn bước sóng nhiều lần, tức cỡ vài chục nanomet, xếp đều trên diện rộng. Với vi sóng (bước sóng cỡ centimet) thì cấu trúc cỡ milimet là đủ, in trên tấm mạch được. Đó là lý do mẫu đầu tiên làm cho vi sóng chứ không phải ánh sáng.
Một màu hay mọi màu?
Hầu hết thiết kế dựa vào cộng hưởng: các vòng, thanh nhỏ phản ứng mạnh ở đúng một tần số. Lệch tần số là hỏng. Ánh sáng ban ngày gồm mọi màu trộn lẫn, nên một tấm che chỉ chạy với ánh sáng xanh lục sẽ để lộ vật dưới ánh đỏ và tím. Thêm nữa, để ánh sáng đi vòng quanh vật mà vẫn tới đích cùng lúc với ánh sáng đi thẳng, phần đi vòng phải "chạy nhanh hơn" trong vật liệu. Điều này làm được trong một dải hẹp, nhưng các nhà vật lý đã chỉ ra rằng nó không thể đúng cho mọi tần số cùng lúc nếu tấm che không hấp thụ năng lượng.
Một góc hay mọi góc?
Cảnh trong phim là người tàng hình đi giữa đám đông, ai nhìn từ đâu cũng không thấy. Đa số thiết bị thật chỉ đúng với một hướng hoặc một vùng góc. Bước ra khỏi vùng đó là thấy vật, hoặc thấy một chỗ méo lạ.
Những tin "áo tàng hình" nên đọc kỹ
Mạng xã hội thỉnh thoảng lan truyền video một tấm "khiên tàng hình" làm người đứng sau biến mất. Phần lớn là tấm nhựa có các rãnh thấu kính hình trụ xếp dọc (lenticular). Nó làm mờ và kéo giãn ngang hình phía sau, nên một vật hẹp đứng thẳng như thân người bị "trải" ra rồi lẫn vào nền đồng màu. Hiệu ứng đẹp, rẻ, nhưng nền phải đơn giản, khoảng cách phải hợp, và nhìn kỹ vẫn thấy dải màu loang. Nó dựa trên quang học trường phổ thông chứ không phải siêu vật liệu.
Một loại tin khác là "vải đổi màu theo nền" kiểu da mực. Các nhóm nghiên cứu đã làm được tấm vật liệu tự đổi sắc theo ánh sáng xung quanh, nhưng đổi màu là chuyện khác hẳn với để ánh sáng xuyên qua. Ta vẫn thấy hình dáng và bóng của vật. Giới sinh học gọi đó là nguỵ trang, không phải tàng hình.
Tàng hình "một phần" đã có ích thế nào
Không tạo ra người vô hình, nhưng ngành này để lại nhiều thứ dùng được:
- Ăng-ten và cảm biến: một ăng-ten đặt sát ăng-ten khác thường làm nhiễu nhau. Lớp "che" vi sóng giúp chúng gần như không thấy nhau.
- Thấu kính phẳng: các bề mặt có cấu trúc nano (metasurface) có thể hội tụ ánh sáng mà mỏng hơn sợi tóc. Một số camera và cảm biến thương mại đã bắt đầu dùng.
- Âm thanh và nhiệt: cùng toán học "bẻ cong không gian" áp dụng được cho sóng âm, dòng nhiệt, thậm chí sóng nước. Các nhóm đã làm thiết bị dẫn nhiệt đi vòng quanh một vùng để giữ vùng đó ổn định.
- Tư duy thiết kế: phương pháp "quang học biến đổi" (transformation optics) trở thành công cụ thiết kế thiết bị quang học nói chung.
Góc nhìn hôm nay: đọc tin khoa học thế nào cho tỉnh táo
Lĩnh vực tàng hình là ví dụ đẹp về khoảng cách giữa bài báo khoa học và tiêu đề báo. Bài gốc thường nói rất thận trọng: "giảm tán xạ ở tần số 8,5 GHz trong cấu hình hai chiều". Tiêu đề thì viết: "Đã có áo tàng hình". Khi gặp tin kiểu này, có thể tự kiểm:
- Tìm tên tạp chí và năm đăng. Science, Nature, Physical Review Letters, Optics Express là những nơi các thí nghiệm kể trên được công bố.
- Tìm bước sóng hoặc tần số. "Vi sóng", "hồng ngoại", "ánh sáng nhìn thấy" là ba thế giới rất khác nhau.
- Tìm kích thước vật được che. Micromet, milimet hay mét?
- Tìm góc nhìn. Có ghi "chỉ từ một hướng" hay "mọi hướng" không?
Người muốn đọc sâu có thể tìm bài tổng quan về quang học biến đổi của chính John Pendry, hoặc các bài phổ biến khoa học trên trang của Imperial College London và Đại học Duke kể lại thí nghiệm năm 2006. Các bảo tàng khoa học lớn cũng hay có góc trưng bày về khúc xạ và thấu kính — nơi tốt để tận mắt thấy ánh sáng bị bẻ cong.
Câu hỏi thường gặp
Áo choàng tàng hình có thật không?
Theo nghĩa trong phim thì chưa. Các mẫu thí nghiệm hiện nay chỉ che được vật nhỏ, ở một dải bước sóng hẹp và thường từ một số góc nhìn. Chưa có thiết bị nào làm một người biến mất trước mọi ánh mắt dưới ánh sáng ban ngày.
Ai là người đặt nền móng cho áo tàng hình khoa học?
Nền lý thuyết được công bố năm 2006 bởi John Pendry cùng David Schurig và David Smith, và độc lập bởi Ulf Leonhardt. Cùng năm, nhóm Đại học Duke dựng mẫu đầu tiên che một vật khỏi vi sóng.
Vì sao làm áo tàng hình cho ánh sáng nhìn thấy lại khó?
Vì cấu trúc của siêu vật liệu phải nhỏ hơn bước sóng nhiều lần, với ánh sáng nhìn thấy là cỡ vài chục nanomet. Thêm nữa, ánh sáng ban ngày gồm mọi màu, trong khi đa số thiết kế chỉ chạy ở một màu.
Tấm khiên tàng hình trên mạng có phải siêu vật liệu không?
Không. Đa số là tấm nhựa có rãnh thấu kính hình trụ, làm nhoè và kéo giãn hình phía sau. Hiệu ứng chỉ đẹp khi nền đơn giản và khoảng cách phù hợp.
Nghiên cứu tàng hình có ứng dụng gì ngoài đời?
Có: giảm nhiễu giữa các ăng-ten, thấu kính phẳng siêu mỏng, điều khiển sóng âm và dòng nhiệt. Phương pháp thiết kế "quang học biến đổi" ra đời từ đây cũng được dùng cho nhiều thiết bị quang học khác.
