Thí nghiệm Rochester 2014 là một bộ bốn thấu kính thông thường xếp thẳng hàng, do John Howell và nghiên cứu sinh Joseph Choi ở Đại học Rochester (Mỹ) thiết kế. Nhìn qua bộ thấu kính, cảnh phía sau hiện ra đúng vị trí và đúng kích thước như khi không có gì, trong khi một vật đặt ở vùng quanh trục giữa các thấu kính thì biến mất. Không cần siêu vật liệu, chạy với mọi màu ánh sáng nhìn thấy — nhưng chỉ đúng khi nhìn trong một vùng góc nhỏ quanh trục.
Vấn đề mà nhóm Rochester muốn giải
Sau năm 2006, phần lớn nghiên cứu tàng hình đi theo hướng siêu vật liệu. Hướng này đẹp về lý thuyết nhưng có ba điểm yếu với ánh sáng nhìn thấy: cấu trúc phải siêu nhỏ, chỉ chạy ở một màu, và vật được che thường bé xíu. John Howell, nhà vật lý quang học, đặt câu hỏi ngược lại: nếu chấp nhận không hoàn hảo, liệu có thể làm một thiết bị tàng hình bằng những gì có sẵn trong phòng thí nghiệm, chạy với ánh sáng trắng, che được vật cỡ thật?
Câu trả lời của nhóm là bộ "áo tàng hình Rochester", công bố trên tạp chí Optics Express tháng 9 năm 2014, với tên bài tạm dịch "Tàng hình bằng quang học tia gần trục".
Ý tưởng: một hệ thấu kính "vô hình" với chính nó
Hãy nghĩ tới ống nhòm. Nhìn qua ống nhòm, cảnh vật to ra và gần lại. Lật ngược ống nhòm, cảnh vật nhỏ đi và xa ra. Giờ ghép hai ống nhòm nối đuôi nhau, một ống phóng to, một ống thu nhỏ lại đúng bằng ấy. Kết quả: cảnh nhìn thấy có kích thước như mắt thường.
Nhưng chừng đó chưa đủ. Một hệ thấu kính bình thường dù cho kích thước đúng vẫn làm cảnh vật "nhảy chỗ" khi ta dịch đầu sang bên, vì nó thay đổi khoảng cách biểu kiến. Điều Howell và Choi làm là tính chính xác tiêu cự và khoảng cách của bốn thấu kính sao cho toàn bộ hệ, trong phạm vi tia sáng gần trục, cư xử y hệt một khoảng không khí cùng chiều dài. Ánh sáng đi vào đầu này và ra đầu kia với cùng hướng, cùng vị trí như thể đi thẳng qua không gian trống.
Nghe như vô ích — một bộ thấu kính đắt tiền chỉ để giả làm không khí? Mấu chốt là bên trong hệ, các tia sáng không đi thẳng. Chúng hội tụ vào gần trục giữa ở một đoạn, rồi tách ra lại. Vùng không gian quanh trục mà tia sáng "né" qua chính là chỗ giấu được đồ vật.
Chi tiết thiết bị
- Bốn thấu kính hội tụ, chia thành hai cặp. Hai thấu kính ngoài cùng có cùng tiêu cự, hai thấu kính trong cùng tiêu cự khác.
- Khoảng cách giữa các thấu kính được đặt theo công thức từ tiêu cự, để hệ tương đương với không khí.
- Vùng giấu được có dạng vành khuyên bao quanh trục, nằm giữa các thấu kính. Riêng đường trục chính giữa thì không giấu được, vì có tia sáng đi thẳng dọc trục.
- Trong video minh hoạ, nhóm đặt bộ thấu kính trước một tấm lưới hay một bàn tay; đưa vật vào vùng giấu thì vật mất, còn lưới phía sau vẫn liền mạch.
Ưu và nhược so với siêu vật liệu
| Tiêu chí | Thấu kính Rochester 2014 | Siêu vật liệu (như Duke 2006) |
|---|---|---|
| Loại sóng | Ánh sáng nhìn thấy | Vi sóng |
| Dải màu | Mọi màu (ánh sáng trắng), chỉ hơi lệch màu do thấu kính | Một tần số hẹp |
| Kích thước vật giấu | Vài centimet, tăng được nếu thấu kính lớn hơn | Ống kim loại vài centimet trong mặt phẳng hai chiều |
| Góc nhìn | Một vùng góc nhỏ quanh trục | Mọi hướng trong mặt phẳng (về lý thuyết) |
| Vật liệu | Thấu kính thương mại | Tấm mạch in vòng đồng thiết kế riêng |
| Bản chất | Quang học hình học, gần đúng tia gần trục | Quang học biến đổi, điều khiển sóng |
Nói gọn: thiết bị Rochester đổi tính "mọi hướng" lấy tính "dùng được với ánh sáng thật". Nó không biến bạn thành vô hình trước người đi quanh, nhưng nếu người quan sát đứng gần như đúng trục thì vật trong vùng giấu thực sự không hiện ra.
Vì sao chỉ một vùng góc nhỏ
Toàn bộ phép tính dựa trên giả định tia gần trục (paraxial): tia sáng đi gần song song với trục, góc lệch nhỏ. Trong điều kiện ấy, thấu kính hành xử theo các công thức đơn giản mà học sinh vật lý được học. Khi góc nhìn lớn dần, thấu kính bắt đầu có quang sai: hình bị cong, mép bị nhoè, màu tách ra. Hệ không còn tương đương không khí nữa và vật bị giấu lộ dần.
Ngoài ra, viền của các thấu kính vẫn nhìn thấy được. Người quan sát vẫn biết có một bộ thiết bị đặt đó. Thứ biến mất chỉ là vật nằm trong vùng giấu, không phải bản thân áo.
Sau năm 2014: từ thấu kính sang màn hình
Nhóm Rochester tiếp tục với ý tưởng "tàng hình tích phân số" (digital integral cloaking), công bố khoảng năm 2016. Thay vì thấu kính lớn, họ dùng camera thu cảnh phía sau và một màn hình phủ tấm thấu kính hình trụ li ti. Mỗi điểm trên màn hiển thị hình khác nhau theo hướng nhìn, nên người đứng ở các vị trí khác nhau thấy phần cảnh phía sau tương ứng. Ý tưởng này gần với ảnh nổi ba chiều không cần kính, và vẫn bị giới hạn bởi độ phân giải màn hình cùng độ trễ của camera.
Góc nhìn hôm nay: một bài học về kỹ thuật đơn giản
Điều đáng học từ thí nghiệm Rochester không chỉ là tàng hình. Nó cho thấy đôi khi một bài toán bị xem là cần công nghệ mới lại có lời giải gần đúng bằng thứ đã có từ thế kỷ 17: thấu kính và quang học tia. Chính Howell trong các phát biểu với báo chí đã nhấn mạnh tính rẻ và dễ dựng của thiết bị, đến mức có thể làm thành thí nghiệm trình diễn trong lớp học.
Ở trường, học sinh có thể tự kiểm phần nguyên lý bằng hai kính lúp có tiêu cự khác nhau: đặt chúng đúng khoảng cách bằng tổng hai tiêu cự sẽ tạo thành một kính thiên văn đơn giản, cảnh vật lộn ngược. Ghép thêm một cặp nữa thì hình được lật lại. Đó là nửa đường tới thiết bị Rochester. Thí nghiệm nên làm dưới ánh sáng phòng, tuyệt đối không hướng thấu kính vào Mặt Trời.
Người muốn đọc thêm có thể tìm bài gốc trên Optics Express năm 2014 (tác giả Joseph S. Choi và John C. Howell) — bài viết công khai, kèm hình dễ hiểu. Trang tin của Đại học Rochester cũng có video minh hoạ.
Câu hỏi thường gặp
Áo tàng hình Rochester là gì?
Là hệ bốn thấu kính hội tụ thông thường do John Howell và Joseph Choi (Đại học Rochester) thiết kế, công bố năm 2014. Hệ hành xử như một khoảng không khí, còn vật đặt ở vùng quanh trục giữa các thấu kính thì không hiện ra.
Thiết bị Rochester có dùng siêu vật liệu không?
Không. Nó chỉ dùng thấu kính bán sẵn và quang học hình học. Đó là điểm khác biệt chính so với thí nghiệm Duke năm 2006.
Vì sao áo tàng hình Rochester chỉ hiệu quả ở một số góc?
Vì phép tính dựa trên giả định tia sáng đi gần trục. Khi nhìn chéo nhiều, thấu kính sinh quang sai, hệ không còn tương đương không khí nên vật bị giấu lộ ra.
Có thể tự làm thí nghiệm tương tự ở nhà không?
Phần nguyên lý thì có thể thử với các kính lúp có tiêu cự phù hợp, dưới ánh sáng phòng. Không bao giờ hướng thấu kính vào Mặt Trời vì có thể gây cháy và hỏng mắt.
Áo tàng hình Rochester che được vật to cỡ nào?
Trong thí nghiệm, vật cỡ vài centimet. Về nguyên lý, thấu kính càng lớn thì vùng giấu càng lớn, nhưng thấu kính lớn chất lượng cao rất đắt và nặng.
