DOW-UAP-D122: גלימות היעלמות, תיאוריה וניסויים - מדוע היעלמות מושלמת אינה אפשרית ומה נותר בהישג יד

קובץ: DOW-UAP-D122_AAWSAP-DIRD-Invisibility-Cloaking-Theory-and-Experiments-March-2-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), המנהלה לניתוח; הופק במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-1003-001 תאריך: 2 במרץ 2010 (ICOD, תאריך סגירת המידע: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כאשר הסייג "לשימוש רשמי בלבד" מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 29 VIRIN: 260918-D-D0360-1111 שחרור PURSUE: 6

תקציר

ה-DIRD הזה הוא הסבר בסגנון מדע פופולרי לשאלה כיצד אפשר להפוך עצם לבלתי נראה. הוא נכתב לקוראים שאינם מומחים ונשען על 39 הערות שוליים, שרובן מפנות למאמרי מחקר מהשנים 2005 עד 2009. הוא הוכן באגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית ב-DIA. המחבר מופיע רק בכינוי "AAP Person 68", והערה מנהלית מפנה הערות ושאלות אל "AAP Person 1", "מנהל תוכנית AAWSA", בכתובת ה-DIA: "ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100" (עמוד 2).

המבוא, בן פסקה אחת, מצהיר על המטרה: המסמך "describes the important current theoretical and experimental developments and tries to project into the future" (מתאר את ההתפתחויות התיאורטיות והניסוייות החשובות הנוכחיות ומנסה להשליך אל העתיד; עמוד 5). אחריו באים אחד עשר פרקים קצרים: הסוואה, שקיפות, העלמה, מטא-חומרים, מטא-חומרים אופטיים, הבעיה היסודית, מרחב עקום, היעלמות רחבת סרט, מימוש, העלמה אופטית וסיכום. יש בו 23 איורים, שכמה מהם מיוחסים למאמרים בכתבי עת, וכמו מסמכי ה-DIRD האחים הוא נושא את האזהרה "Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized" (הפצה נוספת של התצלומים בפרסום זה אינה מורשית).

המסמך משרת ככל הנראה את תחום הטכנולוגיה "הפחתת חתימה" שבמסמך יעדי התוכנית (DOW-UAP-D110), עם חפיפה ברורה לתחום "חומרים". הוא אינו מזכיר עב"מים או UAP, ואינו דן בשום תוכנית זרה או ביישום צבאי מסוים מעבר לדוגמת הפתיחה של מטוסים חמקנים.

מאמר מחקר

שלוש דרכים להיעלם

המסמך יוצא ממיון פשוט: "Invisibility may be achieved through three principal methods: camouflage, transparency, and cloaking" (אפשר להשיג היעלמות בשלוש שיטות עיקריות: הסוואה, שקיפות והעלמה; עמוד 6). את ההסוואה מייצג המפציץ החמקן B-2 (איור 1). צורתו הזוויתית מחזירה את רוב אנרגיית המכ"ם הרחק מהמקור והציפוי שלו בולע את השאר, כך שהמטוס נעשה "completely black in the spectral range of radar" (שחור לחלוטין בתחום הספקטרלי של המכ"ם). ובלשון המסמך: "As for radar waves, the sky is black, not blue, and the plane has assumed the color of the background: the stealth plane is camouflaged" (מבחינת גלי מכ"ם השמיים שחורים ולא כחולים, והמטוס קיבל את צבע הרקע: המטוס החמקן מוסווה).

הדוגמה השנייה היא ההסוואה האופטית של מעבדת Tachi באוניברסיטת טוקיו (איורים 2 ו-3). מצלמה מצלמת את הנוף שמאחורי אדם ומקרינה אותו על מעיל עשוי חומר מחזיר-לאחור (retroreflective). המחבר גלוי לב לגבי המגבלות: "surely the equipment standing around the person is clearly visible" (הציוד העומד סביב האדם נראה בבירור, כמובן), והאפקט "works only in one direction" (עובד רק בכיוון אחד). כשימוש מציאותי המחבר מציע ניתוחים כירורגיים, שבהם ידי המנתח ומכשיריו חוסמים את שדה הראייה (עמוד 7).

השקיפות היא הדרך של "האיש הבלתי נראה" של ה. ג. ולס, שבו הגיבור משנה את מקדם השבירה של גופו (איור 4). המסמך מסביר מדוע גופים אטומים מלכתחילה: האור מתפזר באינספור גבולות בין תאים, כמו שחלב נראה לבן בגלל טיפות השומן שבו. בין הגרסאות הטכנולוגיות המוצעות יש "כיסוי פלסמוני" (plasmonic covering), המבטל את הפיזור בעזרת קליפות שכבתיות, ו"גלימת היעלמות של תווך משלים" (complementary media invisibility cloak), המציבה ליד העצם "אנטי-עצם אופטי" (optical antiobject) בעל שבירה שלילית שמבטל את הדמות שלו (איור 5). אלא שביטול כזה דורש שדה אור יציב ומסונכרן, ו"a stationary light field has only one color" (לשדה אור נייח יש צבע אחד בלבד), ולכן שיטות אלה "will work only for small objects and for small parts of the spectrum and not for large objects in many colors" (יעבדו רק לעצמים קטנים ולחלקים קטנים של הספקטרום, ולא לעצמים גדולים בצבעים רבים; עמודים 8-9).

העלמה בכיפוף המרחב

ההעלמה, האסטרטגיה השלישית, היא "a universal strategy for invisibility that works for objects of arbitrary compositions and shapes within a given size" (אסטרטגיה אוניברסלית להיעלמות, הפועלת על עצמים בכל הרכב וצורה עד גודל נתון). העצם המוסתר יושב בתוך קליפה המנחה את האור סביבו כאילו התפשט דרך חלל ריק, כך ש"both the interior of the cloaking device is hidden and the act of hiding is concealed" (גם פנים התקן ההעלמה מוסתר וגם פעולת ההסתרה עצמה מוסווית; עמוד 10). המסמך מוצא השראה באישה הבלתי נראית מ"ארבעת המופלאים", שמכופפת את המרחב בעזרת שדה כוח. התובנה המרכזית היא "that no force field is needed, that light-refracting materials like glass or water appear as curved spaces by themselves" (שאין צורך בשדה כוח, שכן חומרים שוברי אור כמו זכוכית או מים נראים כמרחבים עקומים בפני עצמם).

הבסיס לכך הוא עקרון פרמה (Fermat): האור עובר במסלול שזמנו הקצר ביותר. לכן חומר שמקדם השבירה שלו משתנה ממקום למקום מתנהג, מבחינת האור, כמו גאומטריה עקומה. עדשה המרכזת קרניים מקבילות למוקד היא כבר "the hallmark of a non-Euclidian geometry" (סימן ההיכר של גאומטריה לא אוקלידית), ותעתוע המדבר (מיראז') הוא אותה תופעה בפעולה (עמודים 11-12). גלימה היא חומר הממפה את המרחב הממשי אל "מרחב מדומה" שבו האזור המוסתר התכווץ לנקודה אחת, כך שגלי האור "advance around the hidden core of the device, engulfing it" (מתקדמים סביב הליבה המוסתרת של ההתקן ועוטפים אותה; איורים 9 ו-10, עמודים 13-14).

המסמך מביא גם את ההיסטוריה. הרעיון "was put forward by two independent groups" (הועלה בידי שתי קבוצות בלתי תלויות), שהתיאוריות שלהן הופיעו ב-Science Express ב-25 במאי 2006; הראשונה עסקה בחומרים איזוטרופיים, והשנייה בחומרים אנאיזוטרופיים, שבהם "perfect invisibility is possible in principle (but not in practice, as is discussed later)" (היעלמות מושלמת אפשרית עקרונית, אך לא למעשה, כפי שיידון בהמשך). באוקטובר 2006 הודגם התקן ההעלמה הראשון, לגלי מיקרוגל. כתב העת Science דירג את ההעלמה בין עשר פריצות הדרך המדעיות של השנה, ו-Scientific American מנה את ממציאי התקני ההעלמה בין 50 המנהיגים המובילים של השנה במדיניות, בעסקים ובמחקר. המאמר הראשון "had initially been rejected by most major science and physics journals" (נדחה תחילה ברוב כתבי העת המרכזיים למדע ולפיזיקה), ובכל זאת מאז 2006 "about a thousand papers have been published so far" (כאלף מאמרים פורסמו עד כה; עמוד 14).

מטא-חומרים: מזכוכית רומית ועד טבעות מפוצלות

גלימת המיקרוגל של 2006 פעלה באורך גל של כ-3 ס"מ והורכבה מ"10 rings of flexible circuit board" (10 טבעות של מעגל מודפס גמיש), שבהן נחרטו מהודי טבעת מפוצלת (split-ring resonators) בגודל של כ-3 מ"מ. מאחר שכל תא קטן בהרבה מהגל, גלי המיקרוגל מתייחסים לטבעות כאל חומר רציף, שאת תכונותיו אפשר לכוונן תא אחר תא על ידי שינוי אורכו של קבל. המסמך מדגיש שבתכנון הזה "negative refraction is not required for cloaking" (אין צורך בשבירה שלילית לצורך העלמה; עמודים 14-15). חומרים מהונדסים כאלה נקראים מטא-חומרים (metamaterials), והמסמך מזכיר שהם ותיקים: זכוכית האודם הרומית חבה את צבעה לחלקיקי זהב "typically 5-60 nanometers (nm) in size" (בגודל טיפוסי של 5 עד 60 ננומטר), כמו בגביע ליקורגוס (Lycurgus Cup) שבמוזיאון הבריטי (איור 12), הנראה ירוק באור יום וזוהר באדום כשמאירים אותו מבפנים. "What is new about metamaterials is the degree of control on their structures" (מה שחדש במטא-חומרים הוא מידת השליטה במבנה שלהם; עמודים 15-16).

המעבר לאור נראה אינו עניין של הקטנת התאים. מתכות מאבדות יותר אנרגיה בתדרים אופטיים, והתאים מקרינים מחדש באופן לא קוהרנטי, בדומה לפליטה ספונטנית. "In short, metamaterials do not scale; they must be designed differently for visible light" (בקיצור, מטא-חומרים אינם מתרחבים בקנה מידה; יש לתכנן אותם אחרת עבור אור נראה; עמוד 16). הגלימה האופטית המוצעת מחליפה את הטבעות המפוצלות בננו-חוטי מתכת בתוך זכוכית (איור 13), אך "such optical cloaking devices do not yet exist" (התקני העלמה אופטיים כאלה עדיין אינם קיימים; עמוד 17). איור 14 משרטט את תדרי התהודה של מטא-חומרים שדווחו בין 2000 ל-2007, העולים מכ-0.01 טרה-הרץ (מיקרוגל) לכמה מאות טרה-הרץ, סמוך לתחום הנראה. איורים 15 ו-16 מציגים את המטא-חומרים האופטיים ה"נפחיים" הראשונים בעלי שבירה שלילית, עשויים ננו-רשתות (nano-fishnets) וננו-חוטים.

הבעיה היסודית

כאן מגיע הטיעון המרכזי של המסמך. המכשול הגדול ביותר, לדבריו, "is not the technology for manufacturing and structuring the required metamaterials but a problem at the core of their principal design" (אינו הטכנולוגיה לייצור ולבניית המטא-חומרים הדרושים, אלא בעיה בלב התכנון העקרוני שלהם; עמוד 18). גלימה שבה האור אינו ניתן להבחנה מאור החוצה חלל ריק חייבת לאפשר לאור לעבור עיקוף ארוך יותר באותו זמן. בדופן הפנימית, משטח סופי מחליף נקודה אחת של המרחב המדומה, ולכן האור היה צריך לחצות אותו בזמן אפס: "the speed of light must approach infinity near the core of the cloaking device" (מהירות האור חייבת לשאוף לאינסוף סמוך לליבת התקן ההעלמה; עמוד 21).

המוצא, וגם המלכודת, טמונים בהבדל שבין מהירות פאזה למהירות חבורה. בחומר נפיצי (dispersive) מהירות הפאזה יכולה לעלות על מהירות האור "without violating the principles of relativity, but only for a single frequency" (בלי להפר את עקרונות היחסות, אך רק בתדר יחיד). לכן "the cloaking of electromagnetic waves of fixed frequency is possible, as the successful demonstration of the microwave-cloaking device has confirmed, but the cloaking of wave packets carrying information is impossible" (העלמה של גלים אלקטרומגנטיים בתדר קבוע אפשרית, כפי שאישרה ההדגמה המוצלחת של התקן ההעלמה במיקרוגל, אך העלמה של חבילות גלים הנושאות מידע בלתי אפשרית). בדופן הפנימית מהירות החבורה אף יורדת לאפס, ו"wave packets would get stuck there instead of traveling around" (חבילות גלים היו נתקעות שם במקום לעבור מסביב; עמוד 22). הדימוי המעשי של המסמך: כדי לראות גלימה כזו פועלת, "one should wear tinted glasses of the required color, which of course completely defeats the purpose" (צריך להרכיב משקפיים צבועים בצבע הנדרש, מה שכמובן מסכל לחלוטין את המטרה; עמוד 20).

מרחב עקום והיעלמות רחבת סרט

"הפרדיגמה החדשה" המוצעת משתמשת במרחבים מדומים עקומים באמת (לא אוקלידיים), במקום בקואורדינטות עקומות על מרחב שטוח. בעזרת ההטלה הסטריאוגרפית, אותה מתמטיקה שעליה נשענת מפת מרקטור, המסמך גוזר את עדשת "עין הדג" של מקסוול (Maxwell's fish-eye), שבה "light goes around in circles" (האור נע במעגלים), ומרחיב את הרעיון ל"היפר-ספירה" תלת-ממדית: "Hyperspace is not out of this world; it can be built, and it turns out to be practically useful for invisibility" (ההיפר-מרחב אינו מעולם אחר; אפשר לבנות אותו, ומתברר שהוא שימושי למעשה להיעלמות; עמוד 23). במודל הצעצוע הדו-ממדי של המסמך (איור 20), דף נייר נוגע בכדור לאורך קו. חלק מהקרניים מקיפות את הכדור פעם אחת וממשיכות כאילו דבר לא קרה, ומראה בקו המשווה של הכדור מסתירה חצי כדור שלם. מאחר שעיוות המרחב הוא "always finite, never infinite" (תמיד סופי, לעולם לא אינסופי), תכונות החומר הדרושות נשארות סופיות, והתקנים כאלה "can, in principle, operate in a broad band of the spectrum" (יכולים, עקרונית, לפעול בתחום רחב של הספקטרום; עמודים 24-25).

המחיר הוא השהיה. "Such non-Euclidean cloaking devices are imperfect because they delay the light traveling through the cloak. With sensitive timing or wave-front sensing one could, in principle, detect the presence of the cloaking device" (התקני העלמה לא אוקלידיים כאלה אינם מושלמים, משום שהם משהים את האור העובר דרך הגלימה. בתזמון רגיש או בחישת חזית הגל אפשר, עקרונית, לגלות את נוכחות ההתקן; עמוד 25). המסמך מציין את "גלימת לוח הקרקע" (ground-plate cloak) שהודגמה לאחרונה, הבנויה מ"thousands of cells with split-ring resonators" (אלפי תאים של מהודי טבעת מפוצלת), כטכנולוגיה מקדימה. הוא מקפיד להוסיף שהתקן זה מסתיר את צורתו של מה שנמצא מאחורי לוח מחזיר, "but not the fact of hiding itself" (אך לא את עצם ההסתרה; עמודים 25-26).

תחזיות ומכשולים באור הנראה

פרק ההעלמה האופטית (עמוד 27) מציע את לוחות הזמנים היחידים במסמך. התכנונים הלא אוקלידיים הנוכחיים עדיין דורשים אזורים שבהם האור נע מהר יותר מאשר בריק (כלומר מקדם שבירה קטן מאחד, שהמסמך ציין קודם שניתן להשגה "only in narrow bands of the spectrum", רק ברצועות צרות של הספקטרום). המחבר סבור שגאומטריות חדשות יוכלו לעקוף זאת, אך ש"it cannot be planned by a clear roadmap" (אי אפשר לתכנן זאת לפי מפת דרכים ברורה): "It could take 1 or 2 years or a much longer time until such designs are invented; truly imaginative research is unpredictable" (זה עשוי לקחת שנה או שנתיים, או זמן רב בהרבה, עד שתכנונים כאלה יומצאו; מחקר בעל דמיון אמיתי אינו צפוי). אם גבישים נוזליים יספיקו ומטא-חומרים יתבררו כמיותרים, "invisibility could become a feasible technology within a generation" (היעלמות עשויה להפוך לטכנולוגיה ישימה בתוך דור); אם לא, יידרש מבנה "possibly on sub-nanometer distances" (אולי במרחקים של פחות מננומטר). עוד שני מכשולים נזכרים: התאמת עכבה (impedance), משום שחומרים אופטיים רחבי סרט מגיבים לשדה החשמלי אך כמעט לא לשדה המגנטי, וגמישות. "Most probably, cloaking devices will be rigid shells" (ככל הנראה, התקני העלמה יהיו קליפות קשיחות); גלימה לבישה תצטרך לחשב מחדש ולעצב מחדש את תכונותיה האופטיות בזמן אמת.

משמעות

זהו אחד המסמכים הנגישים בסדרת AAWSAP, ואחד הברורים ביותר לגבי גבולות הנושא שלו. הוא אופטימי בגלוי לגבי העלמה בתחום המיקרוגל, שלדבריו "definitely within reach of the present technology" (בהחלט בהישג ידה של הטכנולוגיה הנוכחית; עמוד 28), קביעה שיש לה רלוונטיות ברורה להפחתת חתימת מכ"ם. הוא ברור באותה מידה בכך שהיעלמות מושלמת נשללת פיזיקלית. הטון שלו חריג למוצר ייחוס מודיעיני: הוא קובע ש"the greatest challenge for turning invisibility from an idea into a workable device is not technology but imagination" (האתגר הגדול ביותר בהפיכת ההיעלמות מרעיון להתקן עובד אינו הטכנולוגיה אלא הדמיון), וממליץ ללכת בעקבות "the Solomonic advice to invest in the right people" (העצה השלמונית להשקיע באנשים הנכונים; עמוד 27).

יש להוסיף שתי הסתייגויות. ראשית, המסמך מתאר את מצב המחקר נכון לסוף 2009, ואינו מעריך עבודה זרה בתחום ההעלמה או מערכת מוצבת כלשהי. שנית, התחזיות שלו ספקולטיביות במוצהר, והוא עצמו ממסגר אותן כך. במונחי הפיזיקה המקובלת, טענות הליבה שלו סטנדרטיות: גלימות של אופטיקת טרנספורמציה הן צרות סרט, ומהירות פאזה העולה על מהירות האור בריק אינה מפרה את תורת היחסות. דבר במסמך אינו קושר העלמה ל-UAP. לסקירה רחבה יותר של מטא-חומרים באותה סדרה ראו DOW-UAP-D141, מטא-חומרים ליישומי תעופה וחלל.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Invisibility may be achieved through three principal methods: camouflage, transparency, and cloaking." (אפשר להשיג היעלמות בשלוש שיטות עיקריות: הסוואה, שקיפות והעלמה.) -- עמוד 6

"As for radar waves, the sky is black, not blue, and the plane has assumed the color of the background: the stealth plane is camouflaged." (מבחינת גלי מכ"ם השמיים שחורים ולא כחולים, והמטוס קיבל את צבע הרקע: המטוס החמקן מוסווה.) -- עמוד 6

"In this way, both the interior of the cloaking device is hidden and the act of hiding is concealed." (בדרך זו, גם פנים התקן ההעלמה מוסתר וגם פעולת ההסתרה עצמה מוסווית.) -- עמוד 10

"In short, metamaterials do not scale; they must be designed differently for visible light, and the loss of light by absorption and incoherent scattering usually is greater for visible light than for microwaves." (בקיצור, מטא-חומרים אינם מתרחבים בקנה מידה; יש לתכנן אותם אחרת עבור אור נראה, ואובדן האור בבליעה ובפיזור לא קוהרנטי גדול בדרך כלל באור נראה יותר מאשר במיקרוגל.) -- עמוד 16

"So, to see things disappear in a cloaking device, one should wear tinted glasses of the required color, which of course completely defeats the purpose." (כך שכדי לראות דברים נעלמים בהתקן העלמה, צריך להרכיב משקפיים צבועים בצבע הנדרש, מה שכמובן מסכל לחלוטין את המטרה.) -- עמוד 20

"The cloaking of electromagnetic waves of fixed frequency is possible, as the successful demonstration of the microwave-cloaking device has confirmed, but the cloaking of wave packets carrying information is impossible." (העלמה של גלים אלקטרומגנטיים בתדר קבוע אפשרית, כפי שאישרה ההדגמה המוצלחת של התקן ההעלמה במיקרוגל, אך העלמה של חבילות גלים הנושאות מידע בלתי אפשרית.) -- עמוד 22

"The greatest challenge for turning invisibility from an idea into a workable device is not technology but imagination." (האתגר הגדול ביותר בהפיכת ההיעלמות מרעיון להתקן עובד אינו הטכנולוגיה אלא הדמיון.) -- עמוד 27

"Perfect cloaking devices are impossible because they require materials where the speed of light approaches infinity. Imperfect cloaking devices could be made." (התקני העלמה מושלמים בלתי אפשריים משום שהם דורשים חומרים שבהם מהירות האור שואפת לאינסוף. אפשר לבנות התקני העלמה לא מושלמים.) -- עמוד 28