ผ้าคลุมล่องหนอาจจะไม่ใช่เรื่องแฟนตาซีอีกต่อไป

“ผู้ใดที่ได้ครอบครองมัน จะเป็นนายของยมทูต”

แฮรี่ พอตเตอร์ เครื่องรางยมทูต- J.K. Rowling

เครื่องรางยมทูตคือวัตถุเวทย์มนต์ทั้ง 3 ของโลกเวทย์มนต์อันประกอบไปด้วย ไม้กายสิทธิ์เอลเดอร์ หินชุบวิญญาณ และผ้าคลุมล่องหน ว่ากันว่าใครที่ได้ครอบครองของทั้ง 3 ชิ้นจะกลายเป็นนายของยมทูต มีอำนาจเหนือความตาย

เรื่องราวการผจญภัยสุดแฟนตาซีของแฮรี่ พอตเตอร์และผองเพื่อนดูเป็นเรื่องที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้จริงเอาซะเลย แต่ทว่าในปัจจุบันนี้วัตถุเวทย์มนต์อย่างผ้าคลุมล่องหนดูจะเป็นเรื่องใกล้ตัวกว่าที่คิด

ความพยายามในการสร้างผ้าคลุมล่องหน

ผ้าคลุมล่องหนในแง่มุมทางวิทยาศาสตร์นั้นคืออุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติในการหักเหแสงที่วิ่งจากวัตถุไม่ให้เข้าตาผู้สังเกต แต่จะหักเหแสงจากด้านหลังของวัตถุให้เข้าตาผู้สังเกตแทน ถึงแม้ว่าด้วยหลักการอันเรียบง่ายนี้ดูเป็นอะไรที่ทำให้ผ้าคลุมล่องหนดูจะเป็นสิ่งที่ทำได้ไม่ยาก แต่ทว่าการควบคุมทิศทางการหักเหของแสงเป็นความท้าทายที่สำคัญของการสร้างผ้าคลุมล่องหนมาตั้งแต่อดีต

จุดเริ่มต้นของการพัฒนาผ้าคลุมล่องหนนั้นเกิดขึ้นเมื่อปี ค.ศ.1967 ก่อนแฮรี่พอตเตอร์กับศิลาอาถรรพ์ตีพิมพ์ 32 ปี นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย วิคเตอร์ เวเซลาโก้ (Victor Veselago) เสนอวัตถุอุดมคติที่มีดัชนีการหักเหแสงเป็นลบและได้ทำนายว่าแสงจะหักเหในทิศทางตรงกันข้ามกับวัสดุปกติ ในตอนนั้นไม่มีใครเชื่อเค้าเนื่องจากในตอนนั้นวัตถุนั้นเป็นเพียงวัตถุที่ไม่มีอยู่จริง

ก่อนอื่นต้องขออธิบายถึง ดัชนีการหักเหก่อนซักนิด อย่างที่เราได้ทราบกันเมื่อคลื่นเดินทางผ่านตัวกลางที่ความหนาแน่นแตกต่างกัน คลื่นจะเปลี่ยนทิศทางจากวิถีการเดินทางเดิมซึ่งการเปลี่ยนทิศทางนี้ถูกเรียกว่าการหักเห ในที่นี้คลื่นที่เราสนใจคือคลื่นแสง ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางด้วยความเร็วที่คงที่ในสุญญากาศ (สภาวะที่ไร้สิ่งใดกีดขวางทางเดินของแสง) จนกระทั้งเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นที่แตกต่างกันส่งผลให้ความเร็วของแสงในแต่ละตัวกลางเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ทิศทางการเคลื่อนที่เบี่ยงเบนไปจากวิถีเดิม โดยอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศเทียบกับอัตราเร็วของแสงในตัวกลางที่แตกต่างกันเรียกว่า ดัชนีการหักเห

ซึ่งวิถีการหักเหของแสงจะเกิดได้ 2 ทางคือเบนเข้าหาเส้นตั้งฉากและเบนออกจากเส้นตั้งฉากกับพื้นผิวของวัตถุ (ดังรูปด้านบน) ซึ่งเกิดจากการเดินของแสงที่ผ่านตัวกลางที่มีค่าแตกต่างกัน

จากรูป เราจะเห็นวิถีของแสงซึ่งเดินผ่านอากาศซึ่งมีดัชนีการหักเหเท่ากับ 1 เมื่อเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นที่มากขึ้นเรื่อย ๆ จะส่งผลให้มุม B หรือมุมหักเห มีค่าลดลงเรื่อย ๆ จนกระทั้งเมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหแสงที่มากกว่าดัชนีการหักเหของอากาศมาก ๆ จะทำให้มุม B มีค่าเท่ากับศุนย์พอดี ซึ่งตามปกติแล้ววัตถุที่มีอยู่ตามธรรมชาติสามารถทำมุมหักเหได้ไม่เกินไปทางซ้ายของเส้นตั้งฉากนี้ แต่ถ้าหากตามทฤษฎีแล้ววัตถุใดก็ตามที่มีค่าดัชนีการหักเหติดลบก็จะทำให้มุมหักเห B นี้มีค่าเป็นลบไปด้วยแต่ทว่าธรรมชาติไม่มีวัสดุใดที่สามารถทำดัชนีการหักเหเป็นลบได้ ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าวัตถุที่ดัชนีการหักเหเป็นลบนั้นคือวัตถุเหนือธรรมชาติ

จนกระทั้ง ค.ศ. 2003 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น เพนดรี และวิศวกรชาวอเมริกา เดวิด ชูริก กับ เดวิด สมิธ ก็ทำการประดิษฐ์วัสดุที่มีดัชนีหักเหติดลบ (เมต้าแมททีเรียลส์ : metamaterials) เป็นครั้งแรกของโลก ซึ่งทำจากขดลวดทองแดง ขนาด 0.2 มิลลิมิเตอร์ อีกทั้งค้นพบว่าวัสดุดังกล่าวมีคุณสมบัติในการหักเหแสงในย่านไมโครเวฟให้โค้งอ้อมวัตถุที่อยู่ด้านใน ทำให้วัตถุนั้นล่องหนหายไป เสมือนถูกผ้าคลุมล่องหนปิดเอา

ต่อมาในปี ค.ศ. 2003 ปาราซโซลิและคณะได้ทำการทดลองสาธิตการหักเหของแสงผ่านปริซึมที่ทำมาจากวัสดุที่มีค่าดัชนีหักเหแสงแบบเดียวกันกับที่สมิทธ์และทีมเคยใช้ก่อนหน้านั้นและได้เตรียมปริซึมขนาดเท่ากันแต่ใช้วัสดุที่มีค่าดรรชนีหักเหเป็นบวก ผลของการวัดค่าการส่งผ่านแสง ณ มุมหักเหแสงต่างๆ กันแสดงให้เห็นชัดเจนว่าแสงได้หักเหผ่านปริซึมทั้งสองไปคนละฝั่งของเส้นตั้งฉาก

ตลอด 2 ทศวรรษนักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะสร้างผ้าคลุมล่องหนสำหรับคลื่นแสงทุกช่วงความถี่และลดการสูญเสียพลังงานและการดูดกลืนแสงด้วยการใช้ฉนวนไฟฟ้าทดแทนการใช้ตัวนำไฟฟ้าเหมือนสมัยก่อน รวมทั้งใช้เทคโนโลยีนาโนอิมปริ้น (nanoimprint) แทนการใช้ลำแสงอิเล็กตรอน เพื่อลอกลายของอะตอมประดิษฐ์ลงไปบนแผ่นฟิล์มซึ่งสามารถขยายประดิษฐ์ เมต้าแมททีเรียลส์ในระดับขนาดใหญ่ขึ้นได้

โล่ล่องหน

Invisibility Shield Co. บริษัทสตาร์ทอัพในประเทศอังกฤษ ประกาศเปิดระดมทุนเพื่อพัฒนาเทคโนโลยี “โล่ล่องหน” ทางบริษัทเปิดเผยว่า โล่ล่องหนที่จะถูกผลิตขึ้นนี้มีลักษณะเหมือนแผ่นกระจกที่ผลิตจากวัสดุโพลีเมอร์ที่สามารถนำกลับมารีไซเคิลได้ซึ่งผ่านกระบวนการขึ้นรูปและอัดรีด เพื่อให้มีลักษณะของเลนส์นูนที่นำมาเรียงชิดติดกันอย่างเป็นระเบียบด้วยกระบวนการการออกแบบเชิงวิศวกรรมที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งในปัจจุบันได้ผลิตรุ่นทดสอบขึ้นซึ่งจะมอบให้กับผู้ระดมทุนตามยอดที่ได้ตั้งเอาไว้ โดยโล่ล่องหนนี้จะเป็นเทคโนโลยีล่องหนที่สมบูรณ์ที่สุดเท่าที่เคยมีมาในโลกซึ่งจะถูกผลิตขึ้นภายหลังจากการพัฒนาจนแล้วเสร็จในเดือนธันวาคม

หลักการทำงาน

ด้วยลักษณะของเลนส์นูนที่วางเรียงชิดติดกันอย่างแม่นยำนี้ ทำให้แสงที่ตกกระทบวัตถุด้านหลังโล่เกิดการหักเห กระจายออกไปทางด้านข้างทั้งซ้ายและขวา ไม่เข้าสู่ดวงตาของผู้สังเกต ในขณะที่แสงที่ไม่ตกกระทบวัตถุจะเดินทางผ่านโล่ และเกิดการหักเหแสงแบบลู่เข้าสู่ดวงตา ทำให้ผู้สังเกตไม่เห็นภาพของวัตถุที่ซ่อนหลังโล่ แต่จะเห็นภาพของฉากหลังแทน ทำให้ผู้สังเกตมองไม่เห็นวัตถุด้านหลังโล่ โดยโล่มีความหนาเพียง  2.3 นิ้ว และมีน้ำหนักไม่มาก วัสดุที่ใช้ในการผลิตมีความแข็งแรง สามารถติดตั้ง และขนย้ายได้ อีกทั้งยังไม่ต้องอาศัยแหล่งพลังงานใด ๆ ในการทำงาน

สรุป

ถึงแม้ว่าในปัจจุบันเราจะยังไม่สามารถทำผ้าคลุมล่องหนตามแบบในหนังได้ แต่ทว่าด้วยเทคโนโลยีที่ถูกพัฒนาขึ้นตามกาลเวลาทำให้โล่ล่องหนซึ่งกำลังถูกปล่อยมาในเดือนธันวาคมตามแผนนี้ถือเป็นเทคโนโลยีการล่องหนที่สมบูรณ์แบบที่สุด อย่างไรก็ตามการล่องหนที่เกิดขึ้นจากโล่นี้เกิดขึ้นเฉพาะบริเวณเท่านั้น ไม่ใช่การหักเหแสงซึ่งวิ่งผ่านทั้งหมดไม่ให้เข้าตาผู้สังเกต

อย่างไรก็ตามโล่ล่องหนนี้เองก็มีต้นทุนในการผลิตที่สูงเนื่องจากต้องอาศัยเทคโนโลยีนาโนอิมปริ้นและการออกแบบที่แม่นยำส่งผลให้ในแง่ของผู้บริโภคทั่ว ๆ ไปแล้วโล่นี้มีราคาที่ค่อนข้างสูง

อ้างอิง

A Real Working INVISIBILITY SHIELD by Invisibility Shield Co.

‘ผ้าคลุมล่องหน’ ของวิเศษที่มีอยู่จริง

การหักเหแสงเหนือธรรมชาติ