До сих пор шапка-невидимка была уделом сказочников и фантастов. Однако с недавних пор все изменилось, и поиск "шапки-невидимки" стал излюбленным занятием некоторых физиков — новым перспективным направлением науки.
В поисках искусственной пустоты
У Гарри Поттера было одеяние, прятавшее его от посторонних глаз. И в знаменитом сериале "Стар Трек" одним нажатием кнопки астронавты возводили вокруг космического корабля защитный экран, за которым корабль скрывался, как сказочный герой под шапкой-невидимкой. И вот теперь компанию вымышленных персонажей спешат пополнить ученые. Они доказывают, что стать невидимым можно и не обучаясь в Школе колдовства и магии. Ведь эта идея не противоречит законам физики.
Мы видим любые предметы лишь потому, что они отражают большую часть падающего на них света, частично поглощая его. Если предмет перестанет отражать и поглощать свет, он станет практически невидим. "В пространстве словно образуется дыра, в которой исчезает объект", — подчеркивает физик Дэвид Смит из университета Дьюка (штат Северная Каролина). Теперь свет и другие электромагнитные волны, например сигналы радиолокатора, попросту огибают объект, не отражаясь от него, — они словно распространяются в пустом пространстве. Объект — собственно говоря, помеха, препятствие, очерчиваемое набегающими на него волнами, — исчезает. Нет препятствия — нет и его абриса, который, в противном случае, увидел бы наблюдатель. Он же лицезреет теперь то, что находится за исчезнувшим предметом — он не догадывается, что в этот момент световые лучи распространяются не по прямой линии, а по дуге.
Разумеется, чтобы подобный фокус удался, поверхность объекта должна обладать особыми оптическими свойствами. С помощью таких однородных материалов, как полимеры или стекло, этого не добиться. Нужны искусственные материалы со специальной структурой — так называемые метаматериалы. Ученые занимаются их созданием уже несколько лет.
Это — композитные материалы, поверхность которых усеяна множеством крохотных металлических элементов — стержней, рамок, колец. Они играют ту же роль, что атомы и молекулы в однородном веществе — отвечают за электрические, магнитные и оптические свойства, ведь, по сути своей, это — микроскопические соленоиды и конденсаторы. В отличие от атомов и молекул, эти элементы можно специально подобрать, конструируя из них метаматериал и определяя его свойства. Он может обладать характеристиками, которые немыслимы у традиционных материалов, например, отрицательным коэффициентом преломления в определенном диапазоне частот. Тогда лучи света и впрямь не рассеиваются на его поверхности, а скользят вдоль нее.
Еще в 1967 году советский физик В. Г. Веселаго предсказал существование материалов с отрицательным коэффициентом преломления — они характеризуются также отрицательны¬ми показателями электрической и магнитной проницаемости. В подобных материалах традиционные законы оптики переворачиваются с ног на голову. Например, фокусирующая линза, изготовленная из метаматериала, будет рассеивать, а не собирать свет; плоский же диск, наоборот, будет фокусировать световые лучи.
Объект, изготовленный из такого материала или облицованный им, станет недоступен для приборов, которые ведут наблюдение в соответствующем диапазоне частот, ведь он не отражает электромагнитные волны, а лишь отклоняет их. Поэтому мы — да! — видим на экране локатора то, что находится за объектом. На месте его самого зияет пустота. Так волны реки, обтекая валун, смыкаются за ним, не образуя разрывов, словно им и не встретилось никакого препятствия.
Прошло более тридцати лет, прежде чем расчеты Виктора Веселаго стали воплощаться наяву.
Мода от Пендри
В конце октября 2006 года газеты всего мира известили о том, что американские и британские исследователи — Дэвид Смит, Дэвид Скариг и Джон Пендри — впервые продемонстрировали метаматериал, который не отражает микроволновое излучение. Он состоял из множества миниатюрных квадратных рамочек из меди (высота — 3 миллиметра); с одной стороны те были прорезаны, а края возле прорези отогнуты внутрь. Ученые наклеили эти элементы на полоски из стеклопластика сантиметровой ширины (их длина разнилась). Согнув полоски, они получили десять концентрических колец диаметром от 6 до 12 сантиметров и вставили одно в другое так, чтобы между ними был небольшой зазор. В центре конструкции образовалась отверстие диаметром 6 сантиметров. Предварительные расчеты показали, что микроволны длиной волны порядка 3 сантиметров не могут проникнуть внутрь системы колец — они будут огибать ее, а значит, помещенный там медный цилиндр станет невидим в данном диапазоне.
Как сообщили на страницах "Science" Смит и Пендри, эта система маскировки выдержала "боевое крещение". На экране локатора вместо цилиндра вдруг вырисовалась подставка, на которой он лежал. "Только она стала немного темнее и чуть расплылась", — так комментирует увиденную картину очевидец. Микроволны практически не проникали внутрь конструкции. Впрочем, из-за электрических потерь в метаматериале излучение заметно ослабло. Так что внимательный наблюдатель, приглядевшись к фону, пожалуй, разглядел бы очертания цилиндра. Он не растворился, а, так сказать, "замаскировался", как хамелеон.
"Мы слишком спешили, — признает Дэвид Смит, — а потому защитный экран оставляет желать лучшего. Предстоит еще много работы". Опыт показал, что маскировочные системы из метаматериалов можно конструировать, но сделан лишь "детский шаг" на пути к их созданию. "Мы не можем даже сказать, научимся ли когда-нибудь делать предметы невидимыми, как в книгах о Гарри Поттере".
Пока "шапка-невидимка" эффективна лишь в узком — микроволновом — диапазоне частот (в нем работают радиолокационные установки, а также беспроводные средства коммуникации, например, Bluetooth). Во всем остальном спектре электромагнитного излучения, в том числе в оптической его части, медный цилиндр виден всем.
Именно в этом кроется главный недостаток концепции, отмечает Джон Пендри. Но, очевидно, можно создать поверхность с регулируемыми электромагнитными свойствами — та будет маскировать объект сразу в нескольких диапазонах частот. Над этим сейчас и работают исследователи.
Еще одна проблема в том, что данный эффект срабатывает, лишь когда длина волны излучения сопоставима с размерами объекта. Поэтому в оптическом диапазоне можно экранировать разве что микроскопически малые объекты, которые и въяве-то не разглядишь
