Крылья, ноги и военная форма

Если определять «невидимый объект» просто как «объект, который мы не видим», без углубления в подробности и нюансы, то стоит начать с примеров из живой природы — с принципов маскировки, которые помогают хищникам охотиться на травоядных, а травоядным прятаться от гибели. Самой распространенной здесь является мимикрия цвета, при которой окраска животного гармонирует с цветовой гаммой, распространенной в ареале его обитания. У арктических животных и птиц часто встречаются белые мех и перья, а, например, в пустынях водится живность всех оттенков песчаного цвета. Эту хитрость используют военные всего мира, полевая форма которых сшита из камуфляжной ткани. А некоторым представителям животного мира эволюция помогла настолько хорошо отточить механизмы мимикрии, что, например, африканского богомола Phyllocrania paradoxa очень трудно отличить от засохшего листа, а его собрата Hymenopus coronatus, который обитает в Индии и Индонезии, — от цветка орхидеи. Это мимикрия формы.

Есть и более изощренные мастера мимикрии, способные активно приспосабливаться к окружающей среде. Хамелеоны, вопреки распространенному мнению, меняют цвет не для того, чтобы прятаться, а чтобы общаться с представителями своего вида. Однако головоногие моллюски, самыми известными из которых являются осьминоги, и некоторые рыбы, например камбалы, благодаря умению менять окраску неплохо справляются с задачей «быть невидимыми» для стороннего наблюдателя. Попытки перенять этот опыт и создать адаптивный камуфляж предпринимают многие экспериментаторы и научные группы. Например, ученые из лаборатории профессора Сусуми Тачи в Токийском университете создали свою версию плаща-невидимки на основе технологии ретрорефлективной (отражающей в сторону источника света) проекции. Добиться эффекта «невидимости» им удалось благодаря тому, что происходящее за человеком в плаще снимается на специальную камеру, обрабатывается и проецируется на специальную ткань. Похожую идею использовали персонажи Саймона Пегга и Тома Круза в фильме «Миссия невыполнима: Протокол Фантом», хотя сценаристы, конечно, не ограничивали свою фантазию реально существующими технологиями.

От зоологии — к физике

Можно привести еще массу примеров, когда объекты имитируют фон, на котором находятся, но «настоящей» невидимостью здесь пока что не пахнет. Чтобы действительно скрыть объект от посторонних глаз, нужно, чтобы он не поглощал и не переизлучал падающий на него свет.

Спрятать что-либо от технических устройств достаточно легко, хоть эти решения и имеют ряд ограничений: стелс-технологии военных основаны на том, чтобы излучение радиолокационных станций отражалось в сторону и в итоге не возвращалось к приемнику. Но обмануть зрение сложнее как минимум потому, что глаз сам ничего не излучает, а только регистрирует попадающий свет, и, если «заставить» какой-то предмет ничего не отражать, невидимым он для нас не станет: на его месте будет черное пятно. Значит, необходимо сделать так, чтобы электромагнитные волны прошли через объект без искажений. Для этого нужно, чтобы его оптические свойства были идентичны таковым у воздуха, а это пока что невозможно. Другой выход — заставить волны огибать объект и больше никак с ним не взаимодействовать.

Магистрант кафедры фотоники и оптоинформатики и секретарь студенческой оптической ячейки Университета ИТМО Владимир Борисов рассказывает, что проблема вполне решаема. Для этого требуется поместить объект — допустим, шар — в шар побольше, выполненный из материала с таким показателем преломления, чтобы падающая волна нужным образом искривилась, обогнула объект, а затем продолжила распространяться в прежнем направлении. Мало того, теоретически это можно реализовать даже двумя способами.

Дырка от метабублика

Первый способ связан с использованием метаматериалов — это особый класс материалов, свойства которых определяет не вещество, из которых они состоят, а их структура. Ученые могут создавать метаматериалы с удивительными характеристиками, которые не встречаются в природе — например, обладающие отрицательным показателем преломления света. Понять, как это может выглядеть, поможет следующий мысленный эксперимент. Представьте, что в стакан налита жидкость, оптические свойства которой будут как у обычной воды, за исключением прямо противоположного значения показателя преломления (n = -1,33). Если опустить в этот стакан палочку, то со стороны это будет смотреться так, как будто под и над поверхностью жидкости находятся две разных палочки — концы будут направлены в разные стороны.

Чтобы изменить показатель преломления материала, можно «разбавить» его структуру другим веществом. Для начала можно создать ячеистую структуру из шестиугольников, размеры которых будут сопоставимы с длиной падающей волны. Если просверлить в каждом из шестиугольников дырку, то свет будет воспринимать единицу «шестиугольник плюс дырка» как нечто однородное, и коэффициент преломления света материалом понизится. Такой метод использовали исследователи из Северной Каролины: они создали диэлектрическую пленку, оптические свойства которой были близки к свойствам обычного воздуха, и опубликовали результаты исследования в журнале Advanced Functional Materials.

«Структуру не обязательно создавать из шестиугольников: форма структурных единиц может быть и более причудливой. Но пока это самые простые многоугольники, которыми можно заполнить плоскость так, что между ними не будет зазоров, а между их центрами будет минимальное расстояние. Именно поэтому такие структуры — например, пчелиные соты — часто встречаются в природе, — объясняет Владимир Борисов. — Этот метод до определенного момента достаточно прост в исполнении, в интернете есть видео, на котором с его помощью от микроволнового излучения маскируют человека: волны огибают трубу, в которой он находится. Но здесь есть одна проблема: эксперимент трудно повторить в оптическом диапазоне частот, потому что длина волны в видимом спектре составляет всего 400−800 нанометров. Нужно заполнить пространство очень маленькими шестиугольниками, в которых еще нужно будет просверлить очень много дырок, при этом тщательно просчитав все параметры».

Отметим, что ученые из Калифорнийского университета в Беркли уже создали на основе метаматериала из золотых наноантенн плащ-невидимку, который скрывает трехмерные объекты в инфракрасном диапазоне. Правда, невидимым пока что удалось сделать объект площадью всего в 1300 квадратных микрон — это размеры нескольких живых клеток. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science.

Среда для невидимки

Другой метод связан с использованием светочувствительных сред — материалов, которые реагируют на внешние раздражители и меняют свойства, чаще всего — коэффициенты преломления и поглощения.

«Мы можем просто взять кусок материала, подогреть его или охладить, а после — осветить, чтобы показатель преломления изменился ровно так, как нам нужно. Я работаю над созданием базы для реализации этого подхода, но сейчас подробно останавливаться на этой теме не стану: ей будет посвящен мой рассказ на Science Slam ITMO University, — говорит Владимир Борисов. — Эта отрасль пока еще находится на стадии фундаментальных исследований, и до прикладных экспериментов пока еще далеко».

По словам Владимира Борисова, над вопросами невидимости в оптическом диапазоне он работает не только потому, что концепция «шапки-невидимки» выглядит более заманчиво, чем «шапка-невидимка для СВЧ-диапазона». Здесь встают более сложные задачи и появляются более интересные наглядные эффекты. Например, даже если ученые смогут создать маскирующее покрытие, в котором волны будет огибать массивный объект, полностью избавиться от оптических дефектов удастся не сразу. Во-первых, из-за того, что огибающему объект свету приходится проделать чуть больший путь, фон за невидимкой визуально будет находиться чуть дальше, чем положено. Кроме того, разные спектральные составляющие света будут по-разному взаимодействовать с маскирующей средой, и в результате фон будет «расслаиваться» на разноцветные изображения.

«Невидимость нужна в первую очередь оборонной промышленности. Военным необходимо просто защитить объект от волн конкретной длины, чтобы с их волновым фронтом не происходило ничего необычного. Компьютеры пока что не очень хорошо умеют распознавать такие дефекты и вряд ли сумеют делать это в ближайшем будущем. Поэтому я думаю, что мы и не будем учиться компенсировать такие дефекты, — добавляет Владимир Борисов. — Сегодня многие ученые занимаются моделированием поведения света в материалах, есть массивные математические и физические пакеты, с помощью которых можно посмотреть, как волна будет огибать объект, каким будет волновой фронт. Человеческий глаз — не очень надежный приемник, он регистрирует не все физические величины, которые присущи электромагнитной волне. Поэтому главным орудием всех физиков, которые занимаются вопросами невидимости, сейчас являются эти программные пакеты».

«Правильный» плащ-невидимка, который заставляет волны света огибать укутанный в него объект, уже якобы создан. Канадская компания Hyperstealth Biotechnology, специализирующаяся на выпуске камуфляжа, публиковала материал о том, что их технология Quantum Stealth позволяет маскировать объект в видимом и инфракрасном диапазоне частот, прятать его тень и при этом не требует источников питания, камер и зеркал. Ткань-невидимка мало весит и стоит недорого. Однако, по словам представителей компании, технология настолько секретная, что они не могут публиковать вообще никаких подробностей о разработке, и даже «фотографии» плаща в действии были нарисованы.

Добавим, что в Университете ИТМО проблемой невидимости занимается ряд подразделений уже не один год. Результаты исследований по этой теме нашли выражение в научных публикациях в журналах Scientific Reports, Physica status solidi, Physics-Uspekhi. Также, если вас заинтересовала тема невидимости, советуем почитать обзорную статью заведующего кафедрой оптики лазеров Николая Розанова.