Invisibilidade: o que é fato científico e o que é ficção científica

David R. Smith - Duke University - 03/05/2007

Realidade e ficção já estão se misturando no campo dos metamateriais e dos mecanismos de invisibilidade.
[Imagem: ACS/Divulgação]

Invisibilidade: ficção virando realidade

Sem dúvida alguma há uma conexão entre os fatos científicos e as idéias que emergem na fantasia e na ficção científica. Os autores de ficção científica são inspirados por descobertas científicas e tecnológicas reais, mas permitem a si mesmos a liberdade de projetar o possível curso do futuro dessas descobertas e seu potencial impacto sobre a sociedade, talvez conservando apenas tênues conexões com os fatos.

E, quando defrontados com os obstáculos apresentados pela concretude da tecnologia real, os autores de ficção podem se livrar inteiramente dessas conexões, inventando tecnologias completamente imaginárias para levar seus enredos adiante. Entretanto, os mais habilidosos autores desse gênero criaram estórias convincentes deixando que a tecnologia ficcional mantivesse alguma conexão com tecnologias ou já existentes ou pelo menos já projetadas.

Ficção científica inspira cientistas

Os cientistas, por sua vez, freqüentemente procuram inspiração nas imaginativas possibilidades que existem nos mundos ficcionais, mas são forçados a seguir as leis da natureza que se aplicam ao nosso mundo. As invenções nos mundos ficcionais raramente migram para o mundo real, - pelo menos não na forma em que foram inicialmente imaginadas. Mas raramente não é sempre, e isto às vezes acontece.

Júlio Verne escreveu sobre naves espaciais e submarinos antes mesmo que esses veículos fossem demonstrados na prática. A colonização de planetas e a terra- formação, elevadores espaciais e próteses "biônicas" são conceitos de ficção científica que não se materializaram inteiramente na realidade, mas que estão sendo seriamente considerados pelos pesquisadores, sendo áreas de pesquisas extremamente ativas. A idéia de robôs assistentes semi-inteligentes, há pouco tempo restritos unicamente ao reino da ficção, está agora sendo ativamente desenvolvida por pesquisadores tanto da academia quanto das indústrias. E hoje mesmo já podemos comprar Roombas e Robovacs para arrumar nossas casas!

Fato científico: Desenvolvido no programa "robô-companheiro" da Toyota, este robô tem uma mobilidade impressionante e pode desempenhar várias tarefas complexas, incluindo tocar um trompete.

Ciência versus Ficção Científica

Enquanto a ciência na ficção persegue e atinge os mesmos objetivos gerais que a ciência real procura, ela difere da ciência real no fato de que os detalhes são deixados de lado. A realidade da ciência é movida por uma massiva coleção de pequenos detalhes, a maioria dos quais muito difíceis de se descrever para pessoas que não sejam especialistas na área.

Para atingir os resultados realmente grandes e entusiasmantes, os cientistas dedicam a maior parte do seu tempo no que parecem ser detalhes pequenos e até mesmo insignificantes. Qualquer um pode entender o que é um telefone celular e o que ele faz - transportar voz e outras informações através do espaço sem a utilização de fios - mas somente os especialistas e os entusiastas mais dedicados realmente entendem as tecnologias que estão por trás desses aparelhos, como a propagação das ondas eletromagnéticas ou a teoria das comunicações digitais. Como em qualquer tecnologia, os detalhes das comunicações sem fios compreendem volumes de material técnico que representam décadas de pesquisas e desenvolvimentos.

Ou seja, a ciência na ficção necessariamente cria atalhos no processo científico, oferecendo tão somente os "grandes" resultados. É claro, tem que ser desta forma, porque a estória de ficção científica é antes de tudo uma estória, com personagens e uma trama e todas as outras coisas comuns a todas as estórias. A ciência, mesmo se crucial para o enredo, é secundária.

A tecnologia na ficção científica

Se a tecnologia é introduzida em uma estória de ficção científica, seu objetivo deve ser facilmente entendido tanto pelos leitores técnicos como pelos não técnicos. Se não soubermos nada mais, nós podemos entender que a Estrela da Morte no universo de Guerra nas Estrelas é uma arma colossal que tem que ser barrada; a velocidade de dobra no universo de Jornada nas Estrelas permite viajar mais rápido do que a luz, de forma que a Enterprise pode viajar entre as galáxias em uma questão de dias, ao invés da eternidade que seria necessário no estágio atual da nossa tecnologia; um avançado chip de computador com inteligência artificial permite ao robô de O Exterminador do Futuro pensar e agir de forma praticamente humana.

Na realidade, os cientistas trabalham em tópicos que nem de longe podem ser tão bem entendidos por uma audiência não-técnica. É especialmente difícil de se divulgar idéias que se originam na Física ou na Matemática para não-especialistas, já que a a maioria dos conceitos é descrita utilizando-se uma linguagem que compreende uma enorme fieira de equações e fórmulas.

Metamateriais

O nosso grupo de pesquisas em particular estuda as incríveis propriedades de materiais estruturados artificialmente, os chamados metamateriais. Esses metamateriais são tão extraordinários - algumas vezes parecendo ficção científica, - que nós normalmente enfrentamos o problema de que é difícil traduzir sua importância para não-especialistas.

Entretanto, recentemente nós tivemos a oportunidade de estudar um novo tipo de metamaterial eletromagnético que tem uma função facilmente compreendida por todos. Em um recente artigo publicado na revista Science, nós descrevemos um método teórico para projetar um material que torna os objetos invisíveis.

Esse assunto tem levantado um enorme interesse no mundo todo e, com esse interesse vem inevitavelmente uma especulação desenfreada sobre o que seria possível fazer-se a partir desse novo paradigma. Com toda a especulação, rompe- se facilmente a fronteira que separa os fatos científicos daquilo que é apenas ficção científica! Desta forma, nós gostaríamos de descrever aqui, de forma não- técnica, nossa visão das possibilidades da invisibilidade, e tentar separar o fato científico da ficção.

Invisibilidade na ficção científica

A invisibilidade é um tema comum em narrações nascidas na ficção científica, na fantasia, nas fábulas e na mitologia. Se excluirmos os mecanismos mágicos e supernaturais da invisibilidade - desculpem, mas no momento isso inclui a capa do Harry Potter - então nós ficamos com algumas rotas um pouco mais "científicas" para a invisibilidade que têm sido propostas pelo gênero da ficção científica. No Homem Invisível, de H. G. Wells, uma série de experimentos químicos gera um homem invisível. Embora o processo nunca tenha sido totalmente descrito, pode-se especular que a bioquímica tenha alterado as moléculas do homem invisível de forma que elas não interajam com a luz que as atravessa.

Homem invisível: H. G. Wells conta a história de um cientista que descobriu uma fórmula para a invisibilidade por meio da preparação de compostos químicos.

Uma rota química para a invisibilidade é virtualmente inimaginável. As complexas moléculas que formam os seres humanos absorvem e refletem a luz, e essas interações são freqüentemente ligadas a outras importantes funções biológicas que provavelmente parariam de funcionar se nós tentássemos fazer manipulações muito grandes no nível molecular.

Mas, mesmo o homem invisível da ficção sugere algumas questões que poderiam ser levantadas se a invisibilidade chegasse a ser desenvolvida. Por exemplo, o homem invisível tem uma vantagem somente quando seus adversários não esperam que ele esteja lá. Se, por outro lado, nós suspeitamos de que há um homem invisível em nossa presença, nós podemos simplesmente borrifar tinta ou pó por todo lado aleatoriamente até descobrí-lo!

Em outro enfoque ficcional, são criados misteriosos "campos" capazes de tornar pessoas e objetos indetectáveis, talvez desviando os raios de luz ao redor do objeto a ser camuflado. Exemplos desse tipo de invisibilidade podem ser facilmente encontrados na ficção científica: a Mulher Invisível do Quarteto Fantástico e os Romulanos do universo de Jornada nas Estrelas são capazes de produzir campos que podem disfarçar pessoas e outros objetos. Nesses dois casos de materialização da camuflagem é necessário energia para criar os campos, o que impõe uma importante limitação à tecnologia. Os Romulanos podem proteger a si próprios da detecção, mas ao custo de não poderem utilizar suas armas, que consomem muita energia. E a Mulher Invisível pode desaparecer e tornar outros objetos invisíveis, mas freqüentemente não ao mesmo tempo em que ela exercita alguns de seus outros poderes "psiônicos".

A curvatura do espaço-tempo

Os mecanismos especulativos de invisibilidade invocados em Jornada nas Estrelas e Quarteto Fantástico contêm um vislumbre de realidade em seu interior. Normalmente, é claro, a luz viaja em uma rota direta. De acordo com o Princípio de Fermat, a razão pela qual a luz viaja em uma rota direta é que esta é distância mais curta entre dois pontos. Entretanto, sabe-se pela Teoria Geral da Relatividade de Einstein que um objeto - qualquer objeto - distorce o tecido do espaço-tempo ao seu redor.

Se o próprio espaço pode ser curvado, então a distância mais curta entre dois pontos naquele espaço pode ser uma curva ao invés de uma linha. Desta forma, a trajetória da luz que passa próxima a objetos massivos, como o Sol ou buracos negros, é realmente dobrada, freqüentemente resultando em um efeito de lente e efeitos ópticos parecidos com miragens.

Infelizmente, a Teoria da Relatividade Geral de Einstein exige objetos incrivelmente massivos, do tamanho de estrelas, para causar uma distorção do espaço-tempo que seja observável. Nós também não temos meios de controlar esse efeito: não há uma chave liga/desliga! Assim, embora a curvatura dos raios de luz devida à distorção do tecido do espaço seja um fato científico, o controle dessa distorção permanece firmemente no domínio da ficção científica.

Aproximando-se da realidade

Embora fantasiosa, a invisibilidade de Susan Storm merece um pouco mais de atenção. E se alguém pudesse realmente dobrar o espaço conforme desejasse?

A animação ao lado mostra uma rede representando o espaço. Alguém poderia imaginar as linhas como as fibras entrelaçadas de um tecido. Um feixe de luz que começa viajando ao longo de uma das linhas é, segundo o Princípio de Fermat, forçado a permanecer nessa linha.

Agora, imagine que exista um outro espaço. Cada ponto nesse novo espaço pode ser relacionado a um ponto do primeiro espaço por uma função matemática ou transformação. O ponto importante é que nós não precisamos manter a mesma densidade do espaço - nós podemos comprimir e expandir diferentes volumes desse novo espaço de forma a abrir espaços vazios. A animação apresenta uma possível transformação de nosso espaço em um novo espaço, com a luz ainda obrigada a seguir linhas não-curvas.

A luz que incide no vazio é realmente forçada a circundar ao redor do vazio, da mesma forma que as fibras de um tecido seriam empurradas se você tentasse criar um buraco no tecido sem quebrar nenhuma das fibras. A luz agora circula ao redor do vazio - como a água fluindo ao redor de uma rocha em uma correnteza. Nós então teremos mapeado um espaço no qual uma região em particular simplesmente não existe! A luz não pode iluminar nem ser refletida por essa região, porque ela está fora do espaço, um local no qual a luz não pode nem sequer existir.

Todo esse espaço curvo é tentador e excelente para a ficção científica. Mas, a menos que nós possamos de alguma forma mover buracos negros por onde quisermos, não é possível considerar que pudéssemos ser capazes de alterar o fluxo da luz de qualquer forma significativa. A rota da Mulher Invisível para a invisibilidade é, portanto, improvável; nem tampouco alguém deveria pagar muita coisa para obter os segredos da tecnologia de camuflagem Romulana.

Eletromagnetismo e campos eletromagnéticos

Mas é aqui que as coisas começam a se tornar interessantes! Quando o espaço é curvado por um objeto massivo, todos os fenômenos físicos são igualmente modificados no novo espaço distorcido. Mas, se estivermos interessados apenas nos fenômenos do eletromagnetismo e dos campos eletromagnéticos, então nós podemos nos restringir às equações de Maxwell - as equações que governam como os campos elétricos e magnéticos se comportam. E aqui nós estamos com sorte porque, ao contrário de muitas outras equações da física, as equações de Maxwell têm parâmetros que podem ser facilmente modificados: os parâmetros dos materiais elétricos e magnéticos.

O que isso significa para a invisibilidade? Nós concluímos que tornar pessoas ou objetos invisíveis pela alteração química de suas moléculas constituintes não irá funcionar. Nem há qualquer expectativa razoável de que nós seremos capazes de impedir que objetos sejam detectados curvando o espaço.

Isso deixa nossa terceira e mais viável opção para a invisibilidade - e uma familiar aos fãs de Harry Potter: criar uma camuflagem utilizando algum tipo de material cujos parâmetros tenham sido adequadamente escolhidos. Mas nós não precisamos nos matricular na Escola de Magia e Bruxaria de Hogwarts para invocar um disfarce assim; nós podemos combinar a idéia de transformação do espaço com as equações de Maxwell, as quais revelam precisamente as propriedades necessárias do material com o qual será construída nossa camuflagem.

Manto da invisibilidade

Veja como a coisa funciona. Nós começamos transformando o espaço de uma forma desejada. Para atingir a invisibilidade, por exemplo, nós podemos querer empurrar o espaço para fora criando um belo esconderijo, como na animação acima. Agora, nós não podemos realmente transformar o espaço, mas nas equações de Maxwell as propriedades do material entram de tal forma que nós podemos alcançar o mesmo efeito transformando as propriedades do material. Nós então substituímos o espaço do lado de fora do volume do nosso esconderijo por um material - um disfarce - no qual os raios de luz viajam seguindo exatamente a mesma rota que eles fariam se estivessem viajando em um espaço curvo. Quando a poeira assentar, nós chegamos a um conjunto de propriedades do material. Os parâmetros do material para nosso manto da invisibilidade serão complicados, certamente, mas serão totalmente consistentes com as leis da física que conhecemos.

Em nosso recente artigo na Science, nós apresentamos uma abordagem matemática que nos fornece os parâmetros esperados do material necessário para fazer nosso disfarce. E funciona? Nós podemos testar a idéia por meio de uma variedade de diferentes métodos. Um método, utilizado pelos projetistas de lentes, é chamado ray-tracing, ou renderização de raios de luz. Começando com um punhado de raios que representam a luz, o caminho de cada raio pode ser traçado à medida em que ele passa através de um objeto feito de qualquer material. O ray- tracing oferece um bom teste para vermos se a transformação matemática previu ou não o conjunto correto de parâmetros do material.

A figura à direita mostra o resultado de um ray-tracing feito para um conjunto de raios passando através de uma camuflagem esférica. Assumimos que os objetos a serem escondidos ficarão no interior da esfera, enquanto o disfarce ocupa a região entre o espaço interior e o exterior da esfera. Se alguém não soubesse nada sobre o método que foi utilizado para projetar o material, a conclusão baseada apenas no ray-tracing seria a de que um disfarce teria sido de fato descoberto.

A realidade da invisibilidade

Nós agora conseguimos trazer a possibilidade da invisibilidade do reino da ficção científica e da fantasia para a realidade, fornecendo um projeto para um dispositivo de camuflagem. É agora é válido perguntar, como com qualquer outra tecnologia: quais são suas limitações? As capacidades e limitações do disfarce continuarão a ser desvendadas nos meses e anos à frente, mas há algumas questões que já são claras a partir do ponto de partida em que nos encontramos.

A camuflagem é uma estrutura complicada. Não apenas complicada, mas que utilizará materiais que não se sabe se existem! Isso parece ser uma dificuldade que podemos superar pelo uso de micro e nano estruturas artificiais que podem servir como substitutos na falta de materiais convencionais com as propriedades adequadas. E, enquanto as estruturas de camuflagem são tão complexas quanto os materiais, elas podem ser todavia facilmente fabricadas utilizando-se tecnologias já disponíveis.

Há uma limitação inerente na faixa de freqüências. Isto é realmente claro olhando-se a imagem de ray-tracing acima; note que os raios que deveriam normalmente chocar-se com a esfera camuflada deverão, ao invés disso, ser forçados a circundar a esfera, essencialmente viajando uma distância maior do que teriam feito se passassem diretamente através de um volume de espaço.

Mais rápido do que a velocidade da luz

Para que todos os raios cheguem juntos após terem circundado a esfera, eles devem viajar mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo enquanto estiverem no disfarce. Isto não é tão ruim como pode parecer. Sem entrar em detalhes, é possível que ondas eletromagnéticas ultrapassem a velocidade da luz no interior de um material, mas somente em um comprimento de onda específico (ou freqüência). Desta forma, o material do qual o disfarce será feito deve dispersar com a freqüência - isto é, nossa camuflagem deve ser projetada para funcionar otimamente a um determinado comprimento de onda, ou faixa de freqüência, mas seu desempenho irá se degradar fortemente fora dessa freqüência ótima.

Um disfarce ideal não deveria absorver nenhuma luz, uma vez que qualquer quantidade de luz que não seja transmitida por um objeto pode ser uma assinatura de que aquele objeto está presente. Os materiais artificiais que nós atualmente imaginamos utilizar tendem a absorver uma quantidade significativa de luz que passa através deles e isso representa uma séria limitação que irá, em última instância, determinar o tamanho dos objetos que podem ser escondidos. Até o momento, nós temos algumas poucas estratégias em mente que poderão ajudar a minimizar as dificuldades que temos com a absorção de luz no material, mas este é um problema com o qual teremos que lutar à medida em que perseguirmos a invisibilidade.

Conclusões

Nós fornecemos aqui um breve sumário dos fatos e da ficção científica associada com a invisibilidade, mas nós negligenciamos um ponto importante. Enquanto seria interessantíssimo se pudéssemos fazer as coisas desaparecem inteiramente, um disfarce não precisa alcançar a invisibilidade total para ser potencialmente útil. Lembra-se como é fácil detectar o homem invisível? Ser invisível somente tem um valor transitório, na melhor das hipóteses naquela situação na qual seu adversário não sabe que você está lá. A vantagem da invisibilidade surge quando seu adversário não tem idéia de que você está lá. Ou seja, a invisibilidade deveria ser considerada como uma boa forma de camuflagem: ela não tem que ser perfeita para funcionar.

O melhor ser invisível? O alienígena no filme Predador emprega uma tecnologia desconhecida para atingir uma forma largamente convincente de camuflagem.

Naquilo que é talvez o mais realístico quadro da invisibilidade, o alienígena do filme Predador possui um dispositivo de camuflagem que o torna quase invisível. Quando camuflado, o predator é quase totalmente transparente, mas há uma distorção perceptível da luz transmitida que delineia vagamente o formato do alienígena. Como mostrado no filme, é difícil perceber a presença do Predador a menos que você saiba aonde ele está e que ele esteja em movimento. De outra forma a camuflagem imperfeita faz um excelente trabalho de manter o alienígena bem escondido. Embora a tecnologia ficcional subjacente não seja descrita no filme, o efeito de disfarce parece estar relacionado com a armadura do Predador, o que a torna aparentada com o material de disfarce que nós acreditamos ser possível.

Na rota das camuflagens avançadas, nós não devemos negligenciar as soluções que a natureza oferece. Um objeto é invisível se ele é indistinguível - ou pelo menos difícil de distinguir - do ambiente ao seu redor. Muitos animais e insetos evoluíram de forma a mesclar-se com seu ambiente, tornando-se difícil para os predadores (os animais, não os alienígenas) encontrá-los. Mas algumas criaturas, como os camaleões e os polvos, podem alterar sua aparência dinamicamente, virtualmente sendo capazes de desaparecer em ambientes mutáveis. Esse tipo de camuflagem/invisibilidade é similar a um dispositivo óptico, inventado pelo cientista japonês Susumu Tachi, que pode oferecer um efeito de transparência para pessoas ou objetos.

A invisibilidade de qualquer tipo será um feito difícil de se alcançar, um feito que irá envolver muito mais complicações do que nós sequer começamos a abordar aqui. Como resultado da publicação de nosso artigo e vários outros no mesmo assunto, tem havido relatos na mídia de que a capa do Harry Potter poderia ser construída em cinco ou dez anos; mas esses relatos têm que ser tratados com um bocado de realismo. A física da camuflagem, como nós esquematizamos, é legítima, e disfarces podem ser fabricados utilizando-se os materiais artificiais que tem sido introduzidos nos anos recentes. Mas, como nós também descrevemos, há limitações sérias e aparentemente intransponíveis na camuflagem que irá prejudicar o desempenho de qualquer estrutura que nós atualmente vislumbramos fabricar.

Uma rota para a transparência: um "disfarce" inventado por Susumu Tachi sugere uma rota para a invisibilidade ou, no mínimo, uma interessante forma de camuflagem.

Desta forma, quando nós próprios afirmamos que uma demonstração será possível, o que temos em mente inicialmente é um tipo muito específico de estrutura que será na melhor das hipóteses usável (mas necessariamente útil!) em comprimentos de onda muito longos no espectro eletromagnético - rádio-freqüências, por exemplo, onde os comprimentos de onda estão na faixa de vários centímetros até metros. Isso não será tão entusiasmante quanto fazer objetos desaparecerem visualmente, mas será um passo importante. O quanto nós poderemos ir além dessa demonstração inicial é uma questão em aberto, mas dado o tremendo interesse na área, nós podemos ter por certo que a comunidade científica dará o melhor de si!.

Um último ponto a considerar é que o paradigma completo do projeto que leva ao disfarce - começando pela transformação do espaço e então determinando o material eletromagnético equivalente - representa um novo enfoque para a óptica. Apenas cinco anos atrás essa idéia de óptica de transformação poderia ter sido abandonada porque as exigências do material teriam sido consideradas impraticáveis. Com o advento dos metamateriais, aquela conclusão agora mudou, e nós podemos vislumbrar classes inteiramente novas de dispositivos ópticos, sendo os mantos da invisibilidade apenas um exemplo. Assim, enquanto fomos inspirados pela invisibilidade dos mundos ficcionais, talvez as descobertas que possam se seguir a partir da óptica transformacional venham a ter um impacto nos mundos ficcionais - assim como no mundo real.

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