Фото: Andy Bullen / Flickr.com

Превращать сказку в быль – любимое занятие человечества. Это относится и к всевозможным средствам достижения невидимости – голубой мечте разведчиков, охотников, натуралистов и, что греха таить, вуайеристов. И каждый год, а то и чаще, ученые радуют нас новыми открытиями.
И вот новое достижение на этом поприще: физики из национального университета Цинь-Хуа на Тайване предложили революционную идею решения задачи невидимости на квантовом уровне – то есть изолировать предмет от существующей за его пределами реальности. Кванты света просто не будут находить частицы, от которых могут отразиться. Сейчас это звучит не менее фантастично, чем мгновенное перемещение из конца в конец Галактики, но надежда на практическое воплощение этой идеи есть. Потому что уже существуют вполне реальные способы создания невидимости.

То, чего не может быть

С давних пор пытливый ум человека видел два альтернативных варианта – или стать невидимым самому, или обладать волшебной шапочкой, или, что выглядело более правдоподобным, – плащом или накидкой. Герберт Уэллс в «Человеке-невидимке» объяснил, что «...тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает света, то оно не может быть видимо само по себе <...> Если вы положите кусок обыкновенного стекла в воду или, еще лучше, в какую-нибудь жидкость, более плотную, чем вода, то вы стекла почти совсем не увидите, потому что свет, переходя из воды в стекло, преломляется и отражается очень слабо, и вообще не подвергается почти никакому воздействию». По сюжету Человек-невидимка смог уменьшить коэффициент преломления своего тела до коэффициента преломления воздуха и стать полностью прозрачным.

Однако занимательный и дидактичный сюжет невозможен как с точки зрения физики (например, невидимые глаза не будут преломлять и улавливать свет), так и физиологии – изменение оптических свойств тканей будет означать и изменение обмена веществ. В общем, лучше никакой сомнительной жидкости «для невидимости» не пить, даже если ее предложат со скидкой.

Та же проблема с шапкой-невидимкой. Это, по сути дела, высокотехнологичный гаджет, который меняет оптические свойства и человеческого тела, и одежды, – потому что нигде в сказках не говорилось, что перед тем, как надеть шапку-невидимку, героиня или герой раздевались донага. Возражение то же, что и в предыдущем случае, – прозрачная кровь вряд ли донесет до вашего прозрачного мозга кислород. И уж совсем непонятно, как такое устройство на голове может влиять на пятки.

Что быть может?

Другое дело – плащ-невидимка. То есть внешний предмет, который не отражает лучей или, говоря корректно, волн, и не просто рассеивает их, а пропускает в обход скрываемого тела. То есть мы видим то, что находится за предметом, а вот самого предмета не видим.

С самого начала стало ясно, что проще создать не гибкий плащ, а неподвижную ширму-невидимку. Причина простая – даже если вы создали такой удивительный материал, в неподвижном состоянии он действительно будет скрывать вас от стороннего наблюдателя. Но стоит ему начать колыхаться – наблюдатель увидит нечто подобное дрожанию воздуха над горячей автодорогой в жаркий день. Это свойство предугадали создатели фильма «Хищник» в 1987 году – маскирующийся пришелец совершенно незаметен пока не движется, но когда начинает перемещаться, возникает заметное преломление света. 

Долгое время было не очень понятно, как заставить лучи света бегать вокруг предметов. Прорыв связывают с именем советского ученого Виктора Веселаго, который еще в 1967 году предположил существование материалов с отрицательным показателем преломления света. Веселаго мечтал о создании удивительных суперлинз, однако найти вещество такое не удалось, и идея, казалось бы, была забыта. На целых 33 года.

Разве это может быть?

В середине 90-х годов британец Джон Пендри из Имперского колледжа в Лондоне начал вновь работать над теорией таких странных веществ. Затем к работе подключился Дэвид Смит из Университета Сан-Диего, который в 2000 году и изготовил первый метаматериал с отрицательным углом преломления. Идея воплотилась в реальность.

Метаматериалы – это не существующие в природе предметы с особым образом организованной структурой. Важно отметить – предметы, а не вещества, потому что секрет метаматериалов не в их атомах и молекулах, а в том, как они уложены. Метаматериалы обладают уникальным свойством отрицательного преломления. 

Преломление лучей света мы наблюдаем постоянно, опуская ложку в стакан с чаем. Если бы чай имел отрицательный угол преломления, то нам бы казалось, что ложка буквально «выпрыгивает из этой метаводы». А метастекло в виде простого кубика с параллельными гранями стало бы работать как линза. Вообще эти метаматериалы имеют массу интересных свойств, которые лучше всего описали сами Пендри и Смит в журнале «В мире науки». Но вернемся к нашему волшебному плащу.

Для создания плаща или ширмы-невидимки надо так организовать структуру метаматериала, чтобы световые или иные волны проходили в обход предмета, как будто через абсолютно прозрачную среду. И Джон Пендри смог продемонстрировать такую возможность в 2006 году, создавая ширмы из призм кальцита. Технология совершенствовалась, и в этом году группа исследователей Технологического университета Сингапура во главе с Чжан Бейл создали ширмы из тонких стеклянных панелей, которые делают объекты, попавшие за них, совершенно невидимыми.

Правда, эффект невидимости наблюдается только под определенным углом, да и сами ширмы частично видны. Но это уже большой прорыв – и золотая рыбка, и кошка, исчезающие прямо на глазах, действительно создают впечатление и будоражат воображение. В том числе и воображение специалистов по смежным с оптикой разделам физики.

Глухая оборона

Акустики давно шутили, что обладателя самого лучшего плаща-невидимки можно будет просто-напросто услышать. Стрельба на звук – дело непростое, но вполне реальное. А уж если речь идет о гидролокаторах подводных лодок и боевых кораблей, то часто это единственно возможное решение. Но метаконструкции могут заблокировать и распространение звука! 

Поскольку ячейки метаматериалов должны быть соразмерны с длиной волны того излучения, которое они обрабатывают, размеры акустических экранирующих конструкций значительно крупнее (в частности, толще), они доступны человеческому взгляду. Это в оптике длина световых волн измеряется нанометрами, в акустике же речь идет о сантиметрах. И вот еще в 2007 году группа специалистов из Университета Дьюка под руководством доктора Стива Каммера создала ширму-невидимку для звуковых волн частотой от 1 до 4 килогерц, которые, как известно, охватывают две верхних октавы у фортепиано (длина волн от 8 до 33 сантиметров).

Специально уложив пластиковые листы, ученые добились желаемого эффекта. Если перед источником звука ставился предмет, датчики показывали, что за ним звуковое поле нарушалось. Звук отражался от предмета и рассеивался. Но когда на предмет надевалась ширма, напоминающая пирамиду, приборы позади вдруг начинали видеть картину ненарушенного звукового поля.

По сути дела, такая конструкция делает корабль или иное тело, которое пытаются обнаружить при помощи сонара, совершенно невидимым. Можно с помощью такой технологии изменить акустику звукозаписывающей студии, концертного зала, кинозала – там не будет и следа эха, а звук будет распространяться как на открытом пространстве. И это гораздо более реальная штука, чем экзотические опыты с квантовыми пространствами или неправильной оптикой. Но и на этом не остановились охотники за «невидимостью».

Метод Гарри Поттера

Плащ-невидимка у Гарри Поттера помогал ему спасти жизнь. То, что задумали специалисты математического университета Манчестера под руководством Уильяма Парнелла, может спасти жизнь десяткам тысяч человек. По сути дела, Парнелл тоже занимается акустикой, только акустикой низких частот, а именно сейсмическими явлениями. Его идея – создавать в основании сооружений такие метаструктуры, которые пошлют сейсмические волны «в обход» здания, и оно станет невидимым для этих волн.

Специалисты экспериментируют с различными упругими и плотными материалами вроде резины, которые могли бы заставить сейсмические волны изменить свой ход. Это очень важная идея: раньше речь шла в основном о том, чтобы поглотить или рассеять энергию сейсмического удара, а здесь предлагается просто сделать здания и сооружения невидимыми для него. Волны пройдут, условно говоря, мимо атомной станции и угаснут сами по себе где-то в отдалении. Длины волн измеряются десятками и сотнями метров, а значит, и метаконструкции должны быть им под стать.

Такая ширма-невидимка будем иметь совершенно другие размеры, нежели плащ, работающий в оптическом диапазоне. И есть все основания считать, что именно такие ширмы и плащи станут востребованным продуктом.

Набор плащей №5

Проблема в том, что как бы мы ни создавали невидимость – с помощью метаматериалов или изолируя объект от внешнего мира – эта невидимость будет неминуемо привязана к конкретным диапазонам излучения. Плащ для видимого света будет хорошо заметен в инфракрасном или рентгеновском диапазоне, не говоря уже про ультразвуковые локаторы. Летучие мыши «увидят» Гарри Поттера в его плаще-невидимке с тем же успехом, что и без плаща. Поэтому надо будет иметь набор плащей для самых разных диапазонов внешних воздействий.

Так зачем городить огород? Детекторы невидимых плащей создать гораздо проще, чем сами плащи. Но войной и охотой человеческая жизнь не ограничивается. Что, если, например, покрыть космический корабль слоями метаматериала, который обеспечит невидимость в диапазоне космических лучей? То есть опасное излучение просто обогнет жилые отсеки и улетит в бездны космоса. И не нужны тонны свинца и иных защитных материалов. Разумеется, такая защита может понадобиться не только в космосе, но и на Земле, например на атомных станциях.

Метаматериалы и квантовые наноматериалы могут в перспективе резко повысить качество нашей оптики, добиться исключительной плотности записи информации и создания еще более мощной электроники. А возможно, и создать что-то такое, что мы сейчас еще и не представляем, – то есть гораздо интереснее «плаща невидимки». Эта сказка только начинается.