Что общего у плаща-невидимки и защиты зданий от землетрясений? На первый взгляд кажется, что это совершенно разные вещи, однако для современной физики различие не столь очевидно. Один и тот же принцип, родившийся в буквальном смысле слова из шляпы волшебника, позволяет создавать устройства, скрывающие дома от подземных толчков, самолеты от радаров и шпиона от врагов.
Представьте - вы живете в Лос-Анджелесе или в Ташкенте. В вечернем выпуске новостей передают прогноз погоды на завтра: "Дневная температура от плюс 23 до плюс 25 градусов, ветер южный; в области ожидается землетрясение магнитудой 7,5". Прекрасный денек, думаете вы и решаете с утра пораньше отправиться за город.
Сейчас подобная ситуация кажется невозможной, но в будущем (пусть и весьма отдаленном) не исключено, что землетрясения перестанут быть разрушительным стихийным бедствием. Новые технологии позволят сделать здания "невидимыми" для подземных толчков.
Иллюзии
Фантастическая перспектива может стать реальностью благодаря физическим хитростям, берущим свое начало от фокусов. Фокусы уже многие столетия вызывают восхищение зрителей, которые по-прежнему верят в создаваемые иллюзионистами оптические обманы. Когда фокусник достает из мокрой вазы сухой платок или ходит по воздуху, он использует систему зеркал: они заставляют свет преломляться таким образом, чтобы у зрителей появилась иллюзия чуда.
Тем же принципом оптического обмана воспользовались физики. Человек или прибор фиксируют присутствие некоего объекта только потому, что тот отражает падающие на него лучи света. Чтобы сделать объект невидимым, необходимо исключить попадание отраженных от него лучей в глаза наблюдателя или на детекторы прибора. В середине августа коллектив ученых из Университета Юты описал, как этого можно добиться, используя нехитрые устройства, генерирующие электромагнитные волны.
Предложенная исследователями схема очень проста. Объект, который необходимо экранировать от наблюдателя, помещается между тремя генераторами, или излучателями. Когда луч детектора попадает на объект, часть составляющих его волн отражаются и начинают распространяться в пространстве. Возникающая картина очень напоминает расхождение кругов на воде от брошенного камня.
Если "круги" достигнут наблюдателя - он увидит объект. Воспрепятствовать распространению отраженного излучения должны волны, производимые генераторами. Их параметры подбираются так, чтобы при столкновении с идущими от объекта волнами последние оказались нейтрализованы. Явление сложения волн, при котором они усиливаются или ослабляются, носит название интерференции. Полное взаимное уничтожение волн происходит в том случае, когда их разность фаз равна половине периода (интерферировать могут только волны с одинаковой частотой, которая связана с периодом обратным соотношением).
Наглядный результат действия генераторов показан на видео, иллюстрирующем статью исследователей в журнале Optics Express. Производимое генераторами излучение не только "стирает" волны, отраженные от объекта, но также восстанавливает разрывы в волновом фронте луча детектора. Бреши возникают как раз из-за того, что часть излучения отражается от объекта или поглощается им.
Пока авторы разработали теорию маскирования объектов только для двумерного пространства. Однако, по их словам, в привычном нам трехмерном мире все будет работать примерно так же. Новая технология позволит прятать объекты от излучения с самыми разными длинами волн. То есть, теоретически, объекты могут становиться не только невидимыми для ультразвука, рентгена, видимого света, но также неслышимыми (или, напротив, недоступными для шума) и устойчивыми к землетрясениям (сейсмическим колебаниям).
Основным недостатком нового метода является отсутствие практической демонстрации его возможностей. Исследователи не проводили экспериментов, а ограничились только теоретическими выкладками. Описанный ими способ маскирования объектов получил название активного. До сих пор ученые создавали невидимость в теории и на практике по другому принципу. Объекты также скрывались от наблюдателя за счет оптического обмана, однако для его создания не использовались дополнительные источники излучения. В качестве "шляпы волшебника" выступали так называемые метаматериалы.
Главное - форма
Метаматериалами называют сложные вещества, свойства которых определяются не столько их химическим составом, сколько строением. Метаматериалы с определенной структурой способны преломлять лучи света очень хитрым способом, нехарактерным для обычных веществ. Эта особенность обусловливает удивительные свойства материалов, получивших название метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления.
Впервые идею существования материалов с отрицательным коэффициентом преломления высказал советский физик Виктора Веселаго в 1967 году. Предположение Веселаго было воспринято как экстравагантная теория, так как ни одного материала с похожими свойствами в то время известно не было.
В 2000 году британский физик Джон Пендри разработал теорию маскирования объектов с использованием таких материалов. Из выкладок ученого следовало, что объект, находящийся внутри ширмы из метаматериала, становится недоступен для световых лучей: излучение будет огибать ширму, не достигая объекта. При этом наблюдатель не будет видеть не только объект, но и ширму.
Идеи Пендри развил один из авторов работ по "активной" невидимости Грейм Милтон (Graeme Milton). Он показал, что закрывать предмет ширмой со всех сторон не обязательно. Достаточно поместить перед ним экран из метаматериала.
Вскоре были созданы первые реальные маскировочные устройства на основе метаматериалов. Все они были "узкоспециальными", то есть работали только для очень небольшого диапазона длин волн, далеко отстоящего от видимого света. С течением времени физики все ближе подбирались к реализации идеи плаща-невидимки из фильмов и книг. Одним из последних достижений стал метаматериал, делающий предметы невидимыми для инфракрасного излучения.
Кроме того, за годы работы с маскирующими метаматериалами физикам удалось теоретически решить проблему отсутствия у них проницаемости с "обратной стороны". Спрятанный за экраном или ширмой объект невидим для наблюдателя, но и для самого объекта окружающий мир недоступен, так как лучи снаружи не проникают за преграду. Было предложено несколько способов преодоления этой трудности. Одна идея заключается в создании зонтика-невидимки, дополненного "антиобъектом". Зонтик скрывает от наблюдателя "антиобъект", который, в свою очередь, маскирует объект, находящийся вне зоны действия зонтика.
Второй вариант борьбы с "обоюдной" невидимостью предполагает использование "антиневидимки". Наблюдатель, находящийся, например, за экраном из метаматериала, сможет видеть находящиеся снаружи предметы, прикладывая к экрану "антиэкран".
К сожалению, на сегодняшний день проблема обеспечения нормального обзора из-за плаща или экрана-невидимки является не самой актуальной. Максимальный размер предмета, который ученым удалось спрятать при помощи метаматериалов, не превышает 10 сантиметров.
Все такое маленькое
Помимо экранирования объектов, для метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления существует еще одна очень перспективная область применения. Джон Пендри не только сформулировал теоретические основы невидимости, но также показал, что из метаматериалов можно сконструировать линзу, которая позволит разглядеть предметы, недоступные для других оптических устройств. В такую суперлинзу можно будет увидеть объекты, размер которых меньше длины волны используемого излучения. Для "обычных" увеличителей эта граница - она получила название дифракционного предела - непреодолима.
Получение суперлинз для науки является едва ли не более важной задачей, чем маскирование предметов, поэтому неудивительно, что разработкой таких устройств занято множество исследовательских коллективов. Ученым уже удалось создать акустическую суперлинзу и самособирающуюся оптическую суперлинзу.
По мнению физиков, как метаматериалы, так и "активное" маскирование предметов являются чрезвычайно многообещающими тематиками. Так что, возможно, через какие-нибудь пару десятков лет нам суждено увидеть настоящий плащ-невидимку. Конечно, если физикам удастся получить у своих спонсоров деньги на "волшебные" исследования.